一種山形自閉式水封的有限元仿真設(shè)計(jì)

楊斌 周雨微 王中發(fā) 劉禮華

摘 要：充壓伸縮式水封的機(jī)械加壓方式帶來(lái)閘門結(jié)構(gòu)復(fù)雜和不耐久的缺點(diǎn)，為克服這一缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種依靠水封自身大變形主動(dòng)封水的山形自閉式水封。該山形水封設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是在設(shè)計(jì)階段對(duì)各種工況下水封的變形進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)計(jì)?；谒庀鹉z材料的非線性張量本構(gòu)關(guān)系、幾何大變形的非線性特征、接觸非線性特征、連續(xù)介質(zhì)基本計(jì)算原理對(duì)某山形自閉式水封進(jìn)行了仿真計(jì)算，論述了山形自閉式水封的封水原理、封水規(guī)律和封水有效水頭。該山形自閉式水封的應(yīng)用，可大大削減閘門充壓水封裝置的建造成本，便于工程維護(hù)，耐久性較好，具有較大的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：山形自閉式水封；張量；庫(kù)水壓力；背壓；仿真計(jì)算；封頭接觸應(yīng)力

中圖分類號(hào)：TV131.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.01.025

引用格式：楊斌，周雨微，王中發(fā)，等.一種山形自閉式水封的有限元仿真設(shè)計(jì)[J].人民黃河，2022，44（1）：120-123.

FiniteElementSimulationDesignofaMountainTypeSelf ClosingWaterSeal

YANGBin1，2，ZHOUYuwei2，WANGZhongfa2，LIULihua1

（1.SchoolofCivil&ArchitecturalEngineering，WuhanUniversity，Wuhan430072，China；2.HubeiWaterResourcesTechnicalCollege，Wuhan430070，China）

Abstract：Themechanicalpressuremodeofpressureexpansionwatersealbringstheshortcomingsofcomplexityandnon durabilityofgate structure.Inordertoovercomethesedisadvantages，akindofmountaintypeself closingwatersealwhichreliedonthelargedeformationofit selftosealwaterwasinnovated.Thekeytothedesignofthemountaintypewatersealwastoaccuratelypredictthedeformationofthewater sealundervariousworkingconditionsinthedesignstage.Basedonthenonlineartensorconstitutiverelationofwatersealrubbermaterial，the nonlinearcharacteristicsofgeometriclargedeformation，thecontactnonlinearcharacteristicsandthebasiccalculationprincipleofcontinuous medium，thesimulationcalculationofamountaintypeself closingwatersealwascarriedout.Thewatersealingprinciple，watersealinglaw andeffectivewaterheadtosealingwaterofmountaintypeself closingwatersealwerediscussed.Theestablishmentofthetypewatersealcan greatlyreducetheconstructioncostofgatefillingwatersealdevice，facilitateengineeringmaintenance，improvedurabilityandhasgreatap plicationvalue.

Keywords：mountaintypeself closingwaterseal；tensor；reservoirpressure；backpressure；simulationcalculation；headcontactstress

1 引 言

充壓伸縮式水封是高壓閘門的一種新型水封，目前采用氣壓型式，是在水封座板下連通一根充壓氣管通過(guò)機(jī)械加壓使封頭外伸與止水面板接觸頂緊形成止水[1]。充氣加壓方式需要在閘門門體中設(shè)置加壓設(shè)備和管道，使得閘門結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，閘門經(jīng)常啟閉振動(dòng)會(huì)使設(shè)備和管道疲勞，需對(duì)設(shè)備和管道經(jīng)常進(jìn)行維護(hù)與更換，費(fèi)工、不經(jīng)濟(jì)。因此，考慮設(shè)計(jì)一種自閉式水封，取消加壓設(shè)備和管道，直接利用庫(kù)水壓力水頭作用封水，這樣形成一種簡(jiǎn)便的止水背壓封水，可使閘門結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單。

自閉式水封是完全利用水封橡膠材料的大變形進(jìn)行自閉封水，不借助任何外元件和設(shè)備，在使用中沒(méi)有機(jī)會(huì)人為調(diào)節(jié)背壓對(duì)水封變形進(jìn)行干預(yù)。這就要求在設(shè)計(jì)階段對(duì)水封大變形提前作出準(zhǔn)確判斷和精確計(jì)算，因此水封大變形的仿真計(jì)算成為這項(xiàng)技術(shù)的重點(diǎn)。設(shè)計(jì)優(yōu)良的自閉式水封可安裝在閘門四周作為側(cè)止水，也可安裝在閘門板面上作為拍門的正止水。

2 山形自閉式水封仿真計(jì)算基本理論

自閉式水封（見(jiàn)圖1）通常采用山形斷面，其橡膠材料大變形涉及材料、幾何、接觸三重非線性問(wèn)題[2-7]。

3 山形自閉式水封斷面設(shè)計(jì)

如前所述，自閉式水封在各使用工況下無(wú)法調(diào)節(jié)背部充壓（即庫(kù)水壓力）從而調(diào)整水封變形形態(tài)，因此在水封設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)其在使用中的變形形態(tài)有準(zhǔn)確的預(yù)計(jì)。這種預(yù)計(jì)由仿真計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)，關(guān)注的計(jì)算指標(biāo)是封頭的接觸寬度和接觸應(yīng)力（水封支臂與座板和壓板的接觸應(yīng)力也要保證不漏水）[15-17]。封頭在庫(kù)水壓力背推作用下外伸，與止水面板（止水對(duì)偶面）的接觸應(yīng)力還要大于背推的壓力（也就是庫(kù)水壓力），此完全依賴于橡膠水封的變形。要實(shí)現(xiàn)期望的水封變形，需要通過(guò)大量試算，找出水封最合適的斷面，這一過(guò)程便是自閉式水封設(shè)計(jì)。

以某一山形水封為例（見(jiàn)圖2），說(shuō)明自閉式水封的仿真設(shè)計(jì)，該斷面是通過(guò)多次試算后選擇的最合理斷面。通過(guò)材料試驗(yàn)測(cè)定的橡膠材料Ogden應(yīng)變能函數(shù)模型參數(shù)見(jiàn)表1[13]，橡膠和鋼板的接觸，法向取非嵌入，切向采用罰函數(shù)，罰數(shù)值取0.5[18-19]。通過(guò)大變形有限元仿真計(jì)算得到水密性仿真計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，當(dāng)止水面板與封頭的初始間隙量為25mm和20mm時(shí)，山形自閉式水封基本無(wú)法封水；當(dāng)止水面板與封頭的初始間隙量為15mm時(shí)，水封從1.5MPa水壓開(kāi)始封水，水封能封住高壓水，不能封住低壓水，原因是止水面板與封頭初始間隙量過(guò)大（還需考慮接觸磨損）；隨著止水面板與封頭的初始間隙量減小，水封開(kāi)始逐漸封住低壓水；當(dāng)間隙量為0mm時(shí)，水封能封住所有水頭下的庫(kù)水，封頭持續(xù)封水保壓，形成穩(wěn)固封閉。封水規(guī)律見(jiàn)圖3，可見(jiàn)接觸應(yīng)力與背壓（庫(kù)水壓力等于背壓）為線性關(guān)系，庫(kù)水壓力越大接觸應(yīng)力越大，并且接觸應(yīng)力一直大于庫(kù)水壓力。該山形自閉式水封是很好的高壓止水元件，在最大壓力工況下（即2.0MPa水壓，間隙量為0mm），水封橡膠材料第一主應(yīng)力范圍為-7.48～1.35MPa（見(jiàn)圖4），小于水封橡膠材料強(qiáng)度（10MPa），水封材料不會(huì)因開(kāi)裂而漏水。

4 結(jié) 語(yǔ)

自閉式水封的便捷性和耐久性使其將以獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)取代目前采用的機(jī)械充壓伸縮式水封。本文通過(guò)仿真計(jì)算闡述了一種山形自閉式水封的封水原理、封水規(guī)律和封水有效庫(kù)水壓力范圍（水封支臂的水密性不作贅述），說(shuō)明了山形自閉式水封設(shè)計(jì)技術(shù)具有可行性，自閉式水封應(yīng)盡快推廣應(yīng)用到實(shí)際工程中去。通過(guò)先進(jìn)的仿真計(jì)算技術(shù)可以設(shè)計(jì)出材料構(gòu)成不單一、斷面形狀豐富的山形自閉式水封元件，以適應(yīng)各種水利工程閘門止水的需求。

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