黄峻，谢智雄

(1.广东省水利电力勘测设计研究院，广东 广州 510635;2.河海大学机电工程学院，江苏 常州 213022)

1 闸门概况

图1 闸门结构

本文应用ANSYS软件对某抽水蓄能电站尾水事故闸门结构的静动力特性进行数值分析研究，计算并分析节间2种连接形式下的定轮反力、应力、位移、屈曲失稳、自振频率及振型特性。

2 计算方案

为了便于表达，对闸门结构各部分进行编号，如图2所示。闸门结构为空间薄壁结构，采用shell63号板单元来进行模拟，闸门结构有限元模型如图3所示。

图2 闸门结构各部件编号

选取闸门闭门挡水工况，此时闸门受水头119 m的静水压力作用。考虑闸门自重，按节间边柱断开及节间边柱连续2种形式来计算分析闸门结构的静动力特性。

图3 闸门结构有限元模型

3 计算结果及分析

3.1 定轮反力计算结果及分析

闸门节间边柱断开及节间边柱连续2种连接形式下定轮反力计算结果见表1，由表1可以看出:

(1)节间边柱断开形式下定轮最大反力为2563.1 kN，发生在定轮1处;节间边柱连续形式下定轮最大反力为2777.1 kN，发生在定轮1处。2种形式下各定轮反力相差不超过10%。

(2)节间边柱断开与节间边柱连续相比，轮1、轮4的反力有所减小，轮2、轮3的反力有所增大，节间边柱断开形式下各定轮反力的均匀性优于节间边柱连续形式。

(3)从定轮最大反力及各定轮反力的均匀性来看，节间边柱断开形式优于节间边柱连续形式。

试验采用间比法排列，不设重复，每4－5个品种设一个对照，同一排首、末小区必须是对照品种，8行区，面积不少于200平方米，试验周边设不少于4行的保护区。测产时收获全部果穗，风干脱粒后称籽粒重量，测含水量，折成14%水分计产，产量比较时以参试品种与两个相邻对照的平均值比较，计算增（减）产百分率。

表1 定轮反力计算结果

3.2 位移计算结果及分析

闸门节间边柱断开及节间边柱连续2种连接形式下，闸门结构整体及各部件的位移计算结果见表2，从表2可以看出:

(1)闸门节间边柱断开及节间边柱连续2种形式下，闸门结构各部件顺河向位移基本相同。

(2)2种连接形式下，顺河向最大位移均发生在面板梁格2跨1中部，其值约为5.0 mm。

(3)主梁挠度为4.2mm，小于许用变形(5.6mm)，满足刚度要求。

表2 闸门各部件结构顺河向位移计算结果

3.3 应力计算结果及分析

闸门节间边柱断开及节间边柱连续2种连接形式下，闸门结构各部件的最大折算应力计算结果见表3，由表3可以看出:

(1)闸门节间边柱断开及节间边柱连续2种连接形式下，闸门结构各部件应力基本相同。

(2)2种连接形式下闸门结构最大折算应力均发生在面板部件上，其值约为212 MPa，略超过材料许用应力(205 MPa)，可满足强度要求。

表3 闸门各部件结构最大折算应力计算结果

3.4 屈曲失稳计算结果及分析

闸门节间边柱断开及节间边柱连续2种连接形式下，闸门结构前5阶屈曲失稳计算结果见表4，从表4可以看出:

(1)闸门节间边柱断开及节间边柱连续2种连接形式下，闸门结构前5阶失稳形式均表现为闸门结构各板件的局部失稳。

(2)节间边柱断开情况下，门背板的稳定系数为39.466，略大于节间边柱连续情况下的37.427。

(3)2种连接形式下主梁1腹板的稳定系数基本相同，可见，闸门节间边柱断开或连续对主梁腹板的稳定性没有影响。

(4)2种连接形式下，闸门结构最容易发生失稳的部件为门背板的局部失稳，其稳定系数最小为37.427，闸门结构的稳定性满足设计要求。

表4 闸门结构屈曲失稳计算结果

3.5 自振特性计算结果及分析

闸门节间边柱断开及节间边柱连续2种连接形式下，闸门结构前5阶自振频率及振型计算结果见表5、表6，从计算结果可以看出:

(1)闸门节间边柱断开与节间边柱连续相比，各阶自振频率均有所增高，其中，无水情况下基频增高15.4%，有水情况下增高12.5%。分析其原因，主要是节间边柱连续的情况下闸门结构整体刚度有所增大。

(2)闸门节间边柱断开有水情况下的基频为6.044 Hz，约为无水情况下(33.076 Hz)的 18.3%;节间边柱连续有水情况下的基频为6.797 Hz，约为无水情况下(38.178 Hz)的17.8%。可见，附加水体对闸门自振频率的影响较大，流固耦合效应不可忽略。

表5 节间边柱断开时闸门结构自振特性计算结果

表6 节间边柱连续时闸门结构自振特性计算结果

4 结论

(1)从前述计算结果来看，闸门节间边柱断开及节间边柱连续2种连接形式下，闸门结构均能满足强度、刚度、稳定性要求。

(2)附加水体对闸门自振频率的影响较大，计算闸门自振特性时流固耦合效应不可忽略;闸门节间边柱断开与节间边柱连续相比，各阶自振频率均有所增大，主要是节间边柱连续的情况下，闸门结构整体刚度有所增大的缘故。

(3)从轮压分布的合理性上来看，闸门节间边柱断开形式优于节间边柱连续形式。

［1］谢智雄，孙小峰，谭守林.U形闸门结构静动力特性研究［J］.华电技术，2012，34(5):21 －23.

［2］谢智雄，贺高年，黄峻，等.大跨度平面闸门的自振特性研究［J］.中国农村水利水电，2006(6):69－72.

［3］谢智雄，周建方.大型弧形闸门的自振特性计算［J］.河海大学常州分校学报，2006，20(3):25 －28.

［4］谢智雄，周建方.大型弧形闸门静力特性有限元分析［J］.水利电力机械，2006，28(4):21 －24.

［5］谢智雄，周建方.大跨度弧形闸门的自振特性研究［J］.水利电力机械，2006，28(5):18 －20，23.

［6］谢智雄，周建方，冷伟.多主梁多定轮平面闸门定轮载荷计算研究［J］.水利电力机械，2006，28

［7］DL/T 5013—1995，水利水电工程钢闸门设计规范［S］.

［8］水电站机电设计手册编写组.水电站机电设计手册 金属结构(一)［M］.北京:水利电力出版社，1988.

［9］闫蕴菁，张瑞杰.ANSYS软件在水电站弧形闸门设计中的应用［J］.华电技术，2010，32(11):26 －27.

［10］刘永胜，何孟芸，贾仕开.草街航电枢纽工程冲沙闸弧形工作闸门设计［J］.华电技术，2011，33(10):5 －9.

［11］马晓明，俞漫野，蒋建国，等.大跨度空间网架金属闸门残余应力静载负荷时效试验［J］.华电技术，2010，32(8):12－14.