基于有限元法的3 200 kN雙向門機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真分析

劉 劍 邊 江 李 冰

（1.鄭州新大方重工科技有限公司，鄭州 450052；2.華北水利水電大學(xué)，鄭州 450011）

水利工程大噸位雙向門機(jī)是一種專門用于啟閉水工閘門的起重機(jī)械，在水利建設(shè)工程中發(fā)揮著重要作用。它的結(jié)構(gòu)安全性和運(yùn)行可靠性，直接影響水利工程防洪排澇、調(diào)水供水、灌溉、發(fā)電以及航運(yùn)等綜合效益的發(fā)揮，同時(shí)關(guān)系水利工程的運(yùn)行安全和人民生命財(cái)產(chǎn)的安全[1-2]。某水電站進(jìn)水口3 200 kN雙向門式啟閉機(jī)（以下簡(jiǎn)稱門機(jī)）安裝在壩頂平臺(tái)，屬于無懸臂龍門起重機(jī)，高度為45.23 m，跨度為24.60 m，最大起升載荷為3 200 kN，運(yùn)行載荷為1 600 kN，主要用于機(jī)組檢修閘門和攔污柵及泄洪閘檢修閘門的啟閉與吊運(yùn)。門機(jī)設(shè)有獨(dú)立運(yùn)行的小車。小車內(nèi)設(shè)主起升機(jī)構(gòu)。小車機(jī)房?jī)?nèi)頂部設(shè)一臺(tái)電動(dòng)葫蘆，可用于壩面零星物品的吊運(yùn)。

1 3 200 kN雙向門機(jī)參數(shù)及工況分析

1.1 雙向門機(jī)參數(shù)

門機(jī)由大車行走機(jī)構(gòu)、門架機(jī)構(gòu)、小車機(jī)構(gòu)、電氣設(shè)備、起重裝置、液壓抓梁和液壓清污耙斗等結(jié)構(gòu)組成，總質(zhì)量約為407 t，具體參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)特性

1.2 雙向門機(jī)工況分析

運(yùn)行中，此3 200 kN雙向門機(jī)主要包括門機(jī)有風(fēng)起升工況、走行工況及非工作狀態(tài)3個(gè)工況。

1.2.1 門機(jī)有風(fēng)起升工況載荷

門機(jī)有風(fēng)起升工況載荷主要包括自重荷載、起升荷載和風(fēng)荷載。其中，門機(jī)自身質(zhì)量為407.16 t，最大起升載荷為3 200 kN。正常工作下的風(fēng)壓按照250 N·m-2來計(jì)算風(fēng)荷載，即[3]

式中：Pw為作用在或吊重上的風(fēng)載，N；C為風(fēng)力系數(shù)；Kh為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，工作狀態(tài)時(shí)取1；q為計(jì)算風(fēng)壓，N·m-2，正常工作時(shí)取250 N·m-2；A為啟閉機(jī)或吊重垂直于風(fēng)向的迎風(fēng)面積，m2。

由于門架箱梁結(jié)構(gòu)，主箱梁迎風(fēng)面高度為2.5 m，間隔4.8 m。依據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，η=a/h=4.8/2.5=1.92≤4，則η取為0，即風(fēng)被完全遮擋[4]。在最不利工況時(shí)，單根主支腿、主橫梁、機(jī)箱、起升物風(fēng)載荷依次為16 986 N、21 525 N、9 936 N、22 500 N。

1.2.2 風(fēng)載走行工況載荷

風(fēng)載走行工況載荷主要包括自重荷載、走行荷載、啟閉機(jī)慣性力、風(fēng)荷載和偏斜走行的側(cè)向力[5]。其中，門機(jī)自身質(zhì)量為407.16 t，走行荷載為1 600 kN，啟閉機(jī)慣性力為59 853 N，起升物風(fēng)載荷為13 500 N。偏斜走行的側(cè)向力是在大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)跑偏時(shí)，軌道側(cè)面與車輪邊緣或水平導(dǎo)向輪之間產(chǎn)生水平側(cè)向力，對(duì)起重機(jī)車輪及其軸承有不良影響，值為208 800 N。

1.2.3 非工作狀態(tài)載荷

非工作狀態(tài)載荷主要包括自重載荷和非工作狀態(tài)的風(fēng)荷載。其中，門機(jī)自身質(zhì)量為407.16 t，非工作狀態(tài)下的風(fēng)壓取800 N·m-2，由于門架箱梁結(jié)構(gòu)，主箱梁迎風(fēng)面高度為2.5 m，間隔4.8 m。依據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，η=a/h=4.8/2.5=1.92≤4，則η取為0，即風(fēng)被完全遮擋。在最不利工況時(shí)，單根主支腿、主橫梁、機(jī)箱風(fēng)載荷依次為63 052 N、97 121 N、47 057 N。

2 門架有限元模型

采用三維軟件對(duì)此雙向門機(jī)進(jìn)行建模，以x_t文件格式導(dǎo)入Workbench軟件。在主要構(gòu)件保持與圖紙一致性的前提下，對(duì)不影響門架主結(jié)構(gòu)變形的次要部件進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，省略小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、機(jī)房以及所有螺栓螺母等，相應(yīng)結(jié)構(gòu)自重以載荷的形式施加到門架上，整體模型如圖1所示。

圖1 三維實(shí)體模型

應(yīng)用有限元軟件ANSYS（V17.0）進(jìn)行有限元分析，劃分的單元數(shù)目為520 755個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為2 110 064個(gè)。為了節(jié)省計(jì)算資源，各零件、板件之間通過設(shè)置BONDED接觸來實(shí)現(xiàn)受力傳遞[6]。門架空間坐標(biāo)系XYZ中，X軸指向水流方向，Y軸指向豎直重力方向，Z軸指向水流垂直方向。

門架各板件之間大部分使用固定連接（BONDED CONNECTION），4個(gè)支腿地面位置施加固定約束（FIXED SUPPORT），約束各向方向自由度，同時(shí)將載荷施加到門架相應(yīng)位置進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，如圖2所示。

圖2 門架邊界條件示意圖

3 各工況下門架有限元分析結(jié)果

3.1 工況一：風(fēng)載起升工況復(fù)核結(jié)果

有風(fēng)滿載起升時(shí)，門架的有限元分析結(jié)果如圖3所示?？梢?，門架最大應(yīng)力為121.98 MPa，發(fā)生在中間聯(lián)系梁，小于[σ]=176.69 MPa，滿足規(guī)范要求。

圖3 門架整體應(yīng)力云圖

3.2 工況二：風(fēng)載走行工況復(fù)核結(jié)果

在正常風(fēng)載狀態(tài)下，大車吊荷載走行，其有限元分析結(jié)果如圖4所示。可見，門架最大應(yīng)力為100.96 MPa，發(fā)生在支腿與中間橫梁連接處，小于[σ]=176.69 MPa，滿足規(guī)范要求。

圖4 門架整體應(yīng)力云圖

3.3 工況三：非工作狀態(tài)

在非工作狀態(tài)下，門架不工作，其有限元分析結(jié)果如圖5所示。可見，門架最大應(yīng)力為240.7 MPa，發(fā)生在支腿與中間橫梁連接處。此處，板厚為12 mm，在頂端屬于應(yīng)力集中現(xiàn)象，主要是由于支腿內(nèi)未添加任何加強(qiáng)筋板，側(cè)向受風(fēng)后支腿剛度不夠，變形量過大，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果失真。

圖5 門架整體應(yīng)力云圖

4 結(jié)語

通過對(duì)門架進(jìn)行有限元仿真分析，確保了門架結(jié)構(gòu)在各計(jì)算工況下的整機(jī)安全性。利用ANSYS軟件的結(jié)果后處理技術(shù)，得到了門架主梁、支腿等局部重要結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖，方便定位應(yīng)力極值區(qū)域，保證了結(jié)構(gòu)局部安全性。后續(xù)將進(jìn)一步研究門機(jī)模型簡(jiǎn)化對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，以提高所得仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。目前，較為合理的使用方式是將有限元仿真分析結(jié)果和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，二者互為參照，相輔相成，共同構(gòu)成門機(jī)的安全評(píng)估體系。