基于流固耦合的立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)的應(yīng)力應(yīng)變分析

袁 堯， 李忠斌， 許旭東， 沈強(qiáng)儒， 楊 帆

(1.江蘇省水利科學(xué)研究院， 江蘇 南京 210017； 2.揚(yáng)州大學(xué)， 江蘇 揚(yáng)州 225127；3.南通大學(xué)， 江蘇 南通 226019)

立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)起開(kāi)啟和關(guān)閉孔口，調(diào)節(jié)上下游水位和流量的作用。立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)多用于中小型排水、防汛、灌溉等水利水電工程中，相較于傳統(tǒng)鋼閘門(mén)有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，具有造價(jià)比較低、無(wú)上部土建設(shè)施、安裝非常方便、后期檢修維護(hù)便利等特點(diǎn)。立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)的閘板對(duì)稱(chēng)于軸心，所以開(kāi)關(guān)時(shí)無(wú)需擔(dān)心水的阻力，通過(guò)對(duì)開(kāi)展立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)各工況下的應(yīng)力應(yīng)變的數(shù)值及分布影響的計(jì)算分析，可進(jìn)一步減小立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)的材料用量，節(jié)省工程投資。萬(wàn)宇飛等[1]基于ANSYS Workbench平臺(tái)的Fluent流體分析模塊及Static Structural固體結(jié)構(gòu)分析模塊，針對(duì)露頂式平面鋼閘門(mén)自由出流下水動(dòng)力特性及閘門(mén)動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行研究。陳揚(yáng)[2]通過(guò)理論分析與有限元數(shù)值模擬的方法，對(duì)比分析閘門(mén)不同開(kāi)度下的振動(dòng)特性。黃勇等[3]研究了閘下淹沒(méi)出流、考慮水體與弧門(mén)耦合作用時(shí)，弧形閘門(mén)的不同開(kāi)度對(duì)流場(chǎng)的瞬態(tài)流速、近壁水體動(dòng)壓力的變化規(guī)律。本文采用單向流固耦合方法，計(jì)算和分析了不同工況時(shí)立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)的應(yīng)力應(yīng)變特征，可為立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)的實(shí)際運(yùn)用提供參考。

1 流場(chǎng)計(jì)算模型

1.1 固體模型和網(wǎng)格劃分

立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)的長(zhǎng)寬比為1∶1，厚度是寬度的1/10。利用三維建模軟件對(duì)立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)進(jìn)行三維建模，立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)的三維模型如圖1，對(duì)立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)的固體計(jì)算對(duì)象進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)的網(wǎng)格單元數(shù)為66 468個(gè)，立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格如圖2。

圖1 立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)三維模型

圖2 立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格

1.2 流體域和網(wǎng)格劃分

利用三維建模軟件對(duì)流體域進(jìn)行三維造型，流場(chǎng)三維模型如圖3(a)，采用混合網(wǎng)格劃分的方式對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元數(shù)為3 714 349個(gè)，流場(chǎng)的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3(b)，立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)的壁面處邊界層網(wǎng)格如圖3(c)[4-10]。

圖3 立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)流場(chǎng)計(jì)算模型及網(wǎng)格

1.3 邊界條件

對(duì)立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)的流場(chǎng)進(jìn)行三維定常的流場(chǎng)數(shù)值模擬，選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型封閉流動(dòng)控制方程?？紤]到渠道內(nèi)流動(dòng)的實(shí)際情況，流場(chǎng)上自由液面設(shè)置為對(duì)稱(chēng)邊界條件；進(jìn)水?dāng)嗝嬖O(shè)置為進(jìn)口邊界條件，給定入口流量為660 L/s；出水?dāng)嗝嬖O(shè)置為自由出流邊界條件，設(shè)置相對(duì)壓力為1 atm；其余面都設(shè)置為壁面條件，收斂殘差設(shè)置為10-4。

鋼閘門(mén)材料Q235鋼，其材料參數(shù)為：彈性模量E=206GPa，泊松比μ=0.25，密度ρ=7 850 kg/m3。立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)固體邊界條件分為載荷和約束，其中載荷有自身重力帶來(lái)重力加速度引起的慣性荷載、流體的壓力作用于閘門(mén)結(jié)構(gòu)的流固耦合面上產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)荷載[11-13]；約束包括下支承座(只約束徑向和切向，允許軸向上的移動(dòng))與聯(lián)軸器端面(約束該面上的所有移動(dòng))。

根據(jù)工程實(shí)際運(yùn)行情況，選取3種工況對(duì)立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)進(jìn)行流固耦合數(shù)值模擬，工況參數(shù)如表1所示。

表1 各個(gè)模擬工況參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)的應(yīng)力分布

不同工況時(shí)立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)的應(yīng)力云圖如圖4所示。3個(gè)工況時(shí)立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)表面應(yīng)力分布相對(duì)均勻，相對(duì)集中應(yīng)力發(fā)生在下支撐處和聯(lián)軸器端面附近，最大應(yīng)力均發(fā)生在聯(lián)軸器端面；工況1時(shí)，立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)的最大應(yīng)力為20.06 MPa，工況2時(shí)，立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)的最大應(yīng)力為16.6 MPa，工況3時(shí)，立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)的最大應(yīng)力為11.4 MPa。工況2時(shí)，立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)上下游均有水，立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)的兩面承受的靜水壓力互相抵消了部分，則應(yīng)力比工況1時(shí)??；工況3為立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)全開(kāi)時(shí)，立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)表面主要受到水流荷載沖擊，因此應(yīng)力比工況2時(shí)小，工況1為應(yīng)力分布最不利的工況。

圖4 不同工況下立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)的應(yīng)力云圖

2.2 立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)的應(yīng)變分布

圖5為不同工況時(shí)立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)的應(yīng)變?cè)茍D。工況1和工況2時(shí)，立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)，應(yīng)變分布規(guī)律一致，靜水壓力對(duì)閘門(mén)的影響為主要因素，立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)的最大變形發(fā)生在閘門(mén)中間位置，變形量由中間向四周逐漸減小。立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)在工況1時(shí)，最大變形量為0.076 mm，在工況2時(shí)最大變形量為0.0549 mm；在工況3時(shí)，立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)的自重和水流動(dòng)的沖擊荷載占主要影響，立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)的最大變形發(fā)生在閘門(mén)的兩側(cè)，最大變形量為0.0172 mm。工況1為立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)運(yùn)行時(shí)應(yīng)變分布最不利的工況。

圖5 不同工況下立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)的應(yīng)變?cè)茍D

圖6為不同工況時(shí)立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)的最大應(yīng)力和最大應(yīng)變曲線(xiàn)，工況1時(shí)立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中與應(yīng)變，最大應(yīng)力值為工況3時(shí)立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)最大應(yīng)力值的1.75倍，且工況1時(shí)最大變形量為工況3時(shí)立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)的4.4倍。各工況時(shí)較大的應(yīng)力集中區(qū)均發(fā)生在立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)的下支撐處和聯(lián)軸器端面，最大應(yīng)力值均小于材料的屈服強(qiáng)度，從節(jié)省工程投資的角度，可選用強(qiáng)度略低的材質(zhì)。

圖6 各工況時(shí)立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)的應(yīng)力應(yīng)變變化曲線(xiàn)

3 結(jié) 論

(1)在各計(jì)算工況下，立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)表面應(yīng)力分布相對(duì)均勻，應(yīng)力集中在閘門(mén)下支撐處和聯(lián)軸器端面；在上游水深1.0 m，下游無(wú)水時(shí)，相對(duì)集中應(yīng)力最大。

(2)在立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)關(guān)閉時(shí)，最大變形發(fā)生在立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)中間區(qū)域，且從立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)中間區(qū)域向閘門(mén)邊緣處變形量逐漸減??；在立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)，立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)兩側(cè)受到水流的沖擊而產(chǎn)生最大變形。

(3)通過(guò)對(duì)立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)的多工況流固耦合分析，不同工況時(shí)立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)的變形量、應(yīng)力值的分布情況均不同，但相對(duì)較小，立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)的最大等效應(yīng)力都低于材料的屈服強(qiáng)度，立軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，在滿(mǎn)足規(guī)范和強(qiáng)度要求的條件下，可選用強(qiáng)度更低的材料，以節(jié)省閘門(mén)造價(jià)。