孙世威

关键词： ABAQUS 铰链 闸首 应力

采用铰链单元对闸首设备进行全过程动态分析，得到闸首设备运行全过程应力位移情况。同时采用离散刚体和接触对部分不关注结构进行建模，避免了常规约束带来的应力集中，更好地判斷闸首结构运行全过程中应力变化[1-2]。

1 工程背景

某水电站升船机闸首结构为承船厢的配套对接密封设施，要求挡水高度为12.4 m。在挡水的同时，该闸首需满足两种运行工况，一种是钢丝绳吊挂，一种是闸首自身锁定机构锁定在轨道上，结构如图1 所示。

2 有限元模型建立

采用Solidworks 建立闸首结构的三维简化模型，并采用Hypermesh 对模型进行网格划分，建立有限元模型。由于该闸首结构为对称结构，故该文只建立1/2 模型，闸首共采用324 830 个单元，单元类型采用S4R 壳单元，C3D8I 实体单元，单元尺寸为70 mm，单元质量如图2 所示。

模型采用t、mm、s、N、MPa、N-mm 单位制。其中材料参数为：密度ρ =7.85×10?9 t/mm3，弹性模量E=2.08×105、泊松比0.3，重力加速度为g=9.8×103 t/s2，同时经查询图纸，该桥机主梁材料为Q355C，计算中采用塑性阶段曲线，如图3 所示。

闸首结构中卧倒小门上的密封橡胶材料根据DL/T5018 附录N，取邵氏硬度60，并采用Mooney-rivlin 模型[3-4]对橡胶进行模拟，参数如表1 所示。

3 计算工况及边界条件

闸首结构的主要设计工况为：LC1 为钢丝绳将闸首工作大门吊起挡水状态；LC2 为闸首工作大门靠两侧锁定锁住挡水状态；LC3 为闸首工作大门无水状态下关门过程。分析中考虑的主要荷载与约束列于表2和表3。

各计算工况下，荷载与约束组合列于表4。

4 计算结果

LC1 工况下应力及位移云图如图4 所示。

LC2 工况下应力及位移云图如图5 所示。

LC3 工况下应力及位移云图如图6 所示。

卧倒小门最后关闭转角为90°时，密封橡胶的压力云图如图7 所示。

从图7 可看出，卧倒小门在刚刚关到位时，密封橡胶上的压力比较符合常规要求，在底部压缩量较大，上部较小。承受水压后，受压部位集中到橡胶侧边，底部橡胶反而没有压缩量，会导致漏水。因此，在实际安装调试时，橡胶底部部位经常会被安装单位垫起以达到止水目的。

在建模计算时，在模型相关边界约束自由度方面以离散刚体模拟不关心的设施，然后建立接触关系，这样就避免了自由度约束带来的应力集中[5-7]。图8 是闸首主轮处以接触代替SPC 约束的应力云图。

5 结语

在结构设计中建议灵活采用铰链单元，这样可分析设备运行全过程的应力变化。同时由于设计阶段对于设备重点区域不清晰，通常会对结构全模型区域应力异常点都比较关心，因此，建议尽量采用离散刚体和接触关系代替通常的SPC 接触，这样可避免SPC 约束带来的应力集中，导致设计误判。