黄 勇,罗 涛,李 岗,赵春龙

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

文章编号：1006—2610(2015)04—0090—05

有限元法在弧形舌瓣门设计中的应用

黄 勇,罗 涛,李 岗,赵春龙

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

利用ANSYS计算分析了弧形舌瓣门在启门瞬间和舌瓣门开启排漂2种工况下的应力和变形。计算结果清楚反映出弧形舌瓣门结构的受力特点；在不同工况下，弧形舌瓣门各主要构件的强度和刚度均满足设计要求。从数值模拟方面为弧形舌瓣门的合理设计提供了重要依据，同时为类似结构设计提供参考。

有限元法；弧形舌瓣门；应力；变形；ANSYS

0 前 言

弧形舌瓣门是一种用于水利水电工程泄水和排漂的弧形组合闸门，由门叶顶部带有开口的弧形闸门和铰接在弧形闸门开口内的舌瓣门组成，在弧形闸门关闭挡水的情况下，可通过启闭舌瓣门排出坝前漂浮物。目前，对于弧形舌瓣门的设计计算，大多数采用平面结构体系计算方法[1]，将带开口弧形闸门和舌瓣门作为2个独立的部分分别计算，其计算结果无法全面、正确反映出弧形舌瓣门整体的空间受力情况，也无法反映出闸门各个构件之间的相互联系及变形协调关系。水工钢闸门的有限元法[2-9]，是将闸门作为一个整体的空间结构体系，将整体结构划分为有限多个、有限大小的单元，单元之间仅靠节点连接，对每个单元建立节点平衡方程，然后再将其集合成整个结构的平衡方程组，求出每个节点的位移，再根据单元应力和节点位移之间的关系，推导出整体结构各个节点处的位移和应力值，能够充分体现出闸门较强的空间效应。鉴于此，本文基于有限元法基本理论，应用ANSYS三维数值模拟软件[10]，对弧形舌瓣门在启门瞬间及弧门关闭挡水、舌瓣门开启排漂时的工作性态进行了计算分析，从数值模拟方面为弧形舌瓣门的合理设计提供了重要参考依据。

1 有限元模型构建

1.1 闸门结构型式

某水电站溢洪道共2孔，孔口尺寸8 m×15 m(宽×高)，设2扇露顶式弧形舌瓣门。弧形舌瓣门为双主梁斜支臂球铰结构(如图1所示)，弧门弧面半径16 m，门叶高度15 m，支铰中心高度8 m，设计水头14.5 m，动水启闭，启闭设备为2×1 600 kN液压启闭机；舌瓣门尺寸4 m×2.98 m(宽×高)，设计水头3.122 m，启闭设备为2×250 kN液压启闭机。闸门面板支承在由主横梁、边梁、纵梁和小横梁组成的梁格上，面板与梁格直接焊接，支臂与主横梁采用螺栓连接构成主框架；主横梁、支臂臂杆均为箱型组合梁，纵(边)梁为T形截面组合梁，小横梁为槽钢和工字型钢。

图1 弧形舌瓣门结构型式图 单位：高程，m；其它，mm

1.2 闸门三维实体模型构建及单元划分

弧形舌瓣门是一种典型的空间薄壁结构体系，由一系列板、壳、梁、杆等构件组合而成。正常工作时，闸门所承受荷载将通过各构件的相互传递来共同承担，面板、主横梁、纵梁、支臂等将发生弯曲、扭转、剪切、轴向拉压等组合变形。因此，计算模型的选择必须考虑到各构件的几何性质、变形特征和受力方式以及相互作用关系等，以正确反映出闸门的整体作用以及各构件的实际工作状态。根据闸门结构形式和受力特点，将闸门面板、主横梁、纵梁、边梁、小横梁、支臂、支臂间竖杆离散为壳单元中的shell63单元，闸门撑杆、支臂间斜杆、启闭机液压杆离散为杆单元中的beam188单元，支铰简化离散为实体单元中的solid45单元。据此建立的弧形舌瓣门有限元模型如图2所示， 计算模型的节点总数为88 464个，单元总数为106 453个。

1.3 边界条件设置与加载

露顶式弧形舌瓣门在启门瞬间即闸门底部刚离开底坎时为弧门最不利工况，舌瓣门开启排漂时为舌瓣门最不利工况。因此，计算时考虑2种情况，分别为启门瞬间和舌瓣门开启排漂(开度85°)。

图2 弧形舌瓣门三维有限元计算模型图

(1) 约束处理

工况1：在液压启闭机杆顶部施加x、y方向位移约束，在支铰处施加x、y、z方向位移约束。

工况2：在底缘处施加y方向位移约束，在支铰处施加x、y、z方向位移约束。

坐标系定义为x轴沿水流方向，y轴沿铅直方向，z轴沿主横梁轴向。

(2) 计算荷载。主要考虑闸门的静水压力和自重，以及启门瞬间闸门侧边和支铰处的摩擦力，其中静水压力取设计水头14.5 m。

(3) 结构尺寸与材料特性。各构件的外形尺寸及厚度均按初步设计图纸取用。闸门构件材料选用Q345C和Q235B，弹性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 850 kg/m3。

2 有限元计算结果与分析

2.1 弧门计算结果与分析

在弧形舌瓣门启门瞬间，弧门受力最大，舌瓣门受力相对较小，在此工况下仅对弧门计算结果进行提取并分析。

其中，纵梁(包括边梁)从左至右依次编号为1～6号，小横梁(包括顶、底梁)自上向下依次编号为1～18号。

2.1.1 弧门应力计算结果与分析

弧门总体折算应力计算结果如图3所示，最大折算应力为140.4 MPa。

图3 弧门总体折算应力计算云图

(1) 面板。面板最大折算应力为103 MPa，出现在面板与15、16号小横梁之间的3、4号纵梁连接处，最大折算应力小于容许应力(265 MPa)。面板应力自上而下逐渐增大的现象主要是由于受水压作用，整个面板强度满足要求。

(2) 主横梁。主横梁主要作用是传递面板传来的水压力，增加门体的横向抗弯和抗扭刚度。主横梁由前翼缘(与面板相贴)、腹板、后翼缘组成；腹板的主要作用是抗弯抗剪，后翼缘主要是抗弯。主横梁应力计算结果如图4、5所示，其中，最大剪切应力为51.8 MPa，出现在下主横梁与支臂连接处内侧腹板区域，主横梁沿腹板轴线方向最大剪切应力小于容许应力(108 MPa)；最大折算应力为140.4 MPa，出现在下主横梁与支臂连接处内侧腹板区域，主横梁沿腹板轴线方向最大折算应力小于容许应力(265 MPa)。主横梁计算结果满足强度要求。

图4 主横梁剪切应力计算云图

图5 主横梁折算应力计算云图

(3) 纵梁(含边梁)。纵梁是将面板与主横梁的水压力传递给支臂，它同横梁一起形成纵横交错的门体梁格，有利于提高门体的整体强度。纵梁应力计算结果如图6、7所示，其中，最大剪切应力为61.2 MPa，最大折算应力为113.1 MPa，均出现于2、5号纵梁后翼缘与上主横梁连接处区域。纵梁沿腹板轴线方向最大剪切应力和最大折算应力均小于容许应力(108和265 MPa)。纵梁计算结果满足强度要求。

(4) 支臂。支臂有2个主平面，一个主平面在主横梁和支臂框架平面内，称之为主框架平面；另一主平面在上下支臂框架平面内。支臂在两个平面内均受弯矩、轴力作用，为偏心受压杆。支臂最大轴向应力为94.2 MPa，出现在上支臂腹板靠近支铰区域；最大折算应力为138.2 MPa，出现在上支臂腹板靠近上主梁后翼缘区域。支臂最大应力均小于容许应力(265 MPa)，满足强度要求。

图6 纵梁剪切应力计算云图

图7 纵梁折算应力计算云图

2.1.2 弧门变形计算结果与分析

对于受弯构件，应根据挠度计算结果进行刚度校核。根据SL74-2013《水利水电工程钢闸门设计规范》规定，对于露顶式工作闸门，主横梁的最大挠度与计算跨度的比值不应超过1/600。闸门主横梁跨度为5 100 mm，其容许出现的最大挠度为8.5 mm。

由计算结果可知：主横梁的最大挠度计算值为7.8 mm，小于主横梁挠度的容许值(8.5 mm)。闸门主横梁满足刚度要求。

2.2 舌瓣门计算结果与分析

在弧门关闭挡水、舌瓣门开启排漂时(开度85°)，舌瓣门受力最大，弧门受力相对较小，在此工况下仅对舌瓣门计算结果进行提取并分析。

2.2.1 舌瓣门应力计算结果与分析

舌瓣门最大折算应力计算结果如图8所示，最大折算应力为140 MPa。

图8 舌瓣门折算应力计算云图

(1) 面板。面板最大折算应力为48.7 MPa，出现在面板顶端与2、3号纵梁连接处，最大折算应力小于容许应力(265 MPa)。 整个面板强度满足要求。

图9 主横梁剪切应力计算云图

(2) 主横梁。 主横梁应力计算结果如图9、10所示，其中，最大剪切应力为39.8 MPa，出现在下主横梁后翼缘与纵梁连接处区域，主横梁沿腹板轴线方向最大剪切应力小于容许应力(108 MPa)；最大折算应力为109.9 MPa，出现在上主横梁后翼缘与边梁连接处区域，主横梁沿腹板轴线方向最大折算应力小于容许应力(265 MPa)。主横梁计算结果满足强度要求。

(3) 纵梁(含边梁)。纵梁应力计算结果如图11、12所示，其中，最大剪切应力为40 MPa，最大折算应力为190 MPa，均出现于边梁后翼缘与上主横梁连接处区域。纵梁沿腹板轴线方向最大剪切应力和最大折算应力均小于容许应力(108和265 MPa)。纵梁计算结果满足强度要求。

图10 主横梁折算应力计算云图

图11 纵梁剪切应力计算云图

图12 纵梁折算应力计算云图

2.2.2 舌瓣门变形计算结果与分析

对于受弯构件，应根据挠度计算结果进行刚度校核。根据SL74-2013《水利水电工程钢闸门设计规范》规定，对于露顶式工作闸门，主横梁的最大挠度与计算跨度的比值不应超过1/600。舌瓣门主横梁跨度为1 700 mm，其容许出现的最大挠度为2.8 mm。

由计算结果可知：主横梁的最大挠度计算值为1 mm，小于主横梁挠度的容许值(2.8 mm)。闸门主横梁满足刚度要求。

3 结 语

(1) 弧形舌瓣门三维有限元计算分析结果表明，弧门最大应力部位为：面板出现在与15、16号小横梁之间的3、4号纵梁连接处；主横梁出现在与支臂连接处内侧腹板区域；纵梁出现在2、5号纵梁后翼缘与上主横梁连接处区域；支臂出现在上支臂腹板靠近主梁后翼缘区域。舌瓣门最大应力部位为：面板出现在与2、3号纵梁连接处的顶部区域，主横梁出现在后翼缘与纵梁连接处区域，纵梁出现在边梁后翼缘与上主横梁连接处区域。弧形舌瓣门应力分布规律符合其结构受力特点。在极限工况下，弧形舌瓣门主要构件的强度和刚度均满足设计要求。

(2) 三维有限元计算分析方法是解决空间复杂结构的主要手段，通过对弧形舌瓣门建立有限元仿真分析模型，设置边界条件并进行求解，可以得到闸门在不同运行工况下的应力分布及变形情况，从而得知闸门承受最大应力和发生最大变形的部位，为闸门合理设计提供参考。

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Application of Finite Element Method in Design of Radial Flap Gate

HUANG Yong, LUO Tao, LI Gang, ZHAO Chun-long

(Northwest Engineering Co., Ltd., Xi'an 710065, China)

Stress and deformation of the radial flap gate under the two conditions of the gate being opened transiently and the gate being opened for floats are calculated and analyzed by application of ANSYS. The calculation results clearly present the acting characteristics of the radial flap gate. Under the different operating conditions, both strength and rigidity of main components of the radial flap gate satisfy design requirements. In term of the value analog, this study provides the reasonable deign of the radial flap gate with important basis as well as the similar structural design with reference.Key words:finite element; radial flap gate; stress; deformation; ANSYS

2015-01-19

黄勇(1988- )，男，陕西省洋县人，助理工程师，从事金属结构设计工作.

TV663+.2

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.04.023