葛洲坝二江电站小机组排沙底孔工作门有限元分析

付建科 徐 亮 卢泽民 黄晓辉

(三峡大学机械与材料学院,湖北宜昌 443002)

葛洲坝水利枢纽工程是三峡工程完工前我国最大的一座水电工程,到目前为止已运行近30年.葛洲坝二江电站小机组排沙底孔工作门位于该大坝下游排沙底孔出口处,用于排沙底孔的挡水.因该闸门常年在水下,门顶和吊耳孔受水中沉积物的淤积影响,导致门机抓梁定位不准,穿销受阻,启门运行很难进行,极大地影响了二江电站小机组排沙底孔的正常运行,因此,需对葛洲坝二江电站小机组排沙底孔工作门吊耳进行改造设计.为了最大限度地降低改造成本拟采用如下改造方案:去掉现有门顶吊耳,在去掉的门顶吊耳处,新设计一对比原吊耳高度高1 m的新吊耳,吊耳顶部设置传力块,其它部位结构不变,废弃原有的抓梁定位方式,利用门机自动抓梁的前后导向装置、侧导轮及吊耳板定位,活动加载作用点由原来的边梁、顶梁腹板相交位置转移到吊耳顶部的传力块,改造后的门叶结构如图1所示.由于改造后的工作门门叶结构发生了变动,活动加载作用点发生了变化,导致工作门整体受力状态也发生了变化,因此,该方案是否可行的关键之一在于在设计水头不变和活动加载作用点转移至吊耳顶部传力块条件下,该工作门的强度和刚度能否满足要求,而活动加载作用点的改变对门体结构带来的影响用传统手工计算方法是无法准确计算分析的,给改造设计带来了极大的困难.

图1 改造后小机组排沙底孔工作门构造图

本文采用大型有限元软件ANSYS分析计算了改造设计后的该排沙底孔工作门结构在设计水头和活动加载作用点转移至吊耳顶部传力块条件下的应力和变形,为该排沙底孔工作门的改造设计提供了重要的参考依据.

1 排沙底孔工作门有限元模型建立

1.1 排沙底孔工作门基本参数

该排沙底孔工作门孔口形式为潜孔,设计水头27m,支承跨度7.3m,动力系数1.2,闸门两个吊耳传力块上作用有120t均布竖向载荷,冲击系数1.2.

1.2 排沙底孔工作门有限元模型单元选择

小机组排沙底孔工作门分别由钢板、型钢焊接而成,都是较为典型的板梁空间结构体系.排沙底孔工作门结构在上游水压作用下将发生弯曲、扭转、剪切和拉压组合变形[1],因此可将结构处理为板、壳、梁的组合体.按照排沙底孔工作门结构构造,直接采用ANSYS实体建模的方法构建模型.结构中水平次梁处理为梁单元,采用BEAM188的2节点梁单元分网,其他部分处理为板壳单元,采用SHELL63的4节点壳单元分网.其中次梁采用赋予截面形状的方式保证截面特性与实际相符.考虑到排沙底孔工作门为平面对称结构,只需建立一半排沙底孔工作门结构模型,划分网格后的模型如图2所示,其中节点总数为75667个,单元总数为76 798个.该排沙底孔工作门门体材料为16Mn钢,吊耳为Q345,其弹性模量E= 2.06×105MPa,泊松比 μ=0.3,屈服极限为345 MPa,密度ρ=7.85×103kg/m3.

图2 排沙底孔工作门有限元模型

1.3 载荷处理及边界条件确定

为了准确地反映排沙底孔工作门计算工况下的应力和变形,进行有限元分析时考虑了水压、自重、两个吊耳传力块上承受120 t竖向载荷、主轮支撑力、底部及边梁的支撑力,同时结合排沙底孔工作门结构的对称性,对已建立的一半排沙底孔工作结构模型施加了符合实际情况的约束条件.

2 排沙底孔工作门强度和刚度分析

2.1 强度分析

闸门的强度按强度控制点的受力性质进行设计校核,对于闸门承重构件和连接件,应校核正应力、剪应力;结果中同时受较大正应力和较大剪应力作用处,应校核最大等效应力;对于面板而言,考虑到面板本身在局部弯曲的同时还随主次梁受整体弯曲的作用,故应对面板的折算应力进行校核.

完成建模后,进行加载、约束、定义分析类型、分析选项、荷载数据和荷载选项等步骤,然后开始有限元求解.计算完成后其应力结果可直接绘制云图输出.排沙底孔工作门在水压、自重和120t竖向载荷作用下的应力云图如图3所示.

图3 排沙底孔工作门等效应力云图

从图3可以看出:排沙底孔工作门除面板外,其他主要构件的最大应力均发生在跨中位置.其主要构件的最大应力计算结果见表1.

表1 排沙底孔工作门主要构件求解结果

从表1可以看出排沙底孔工作门各构件的强度均满足强度要求,从强度角度看结构是安全的.

2.2 刚度分析

除强度分析外,排沙底孔工作门的变形分析也是非常重要的,特别是主次梁的变形.有限元计算得到的改造后的排沙底孔工作门结构在设计水头和活动加载作用点转移至吊耳顶部传力块条件下的变形云图如图4所示.

图4 排沙底孔工作门位移云图

从图4可以看出排沙底孔工作门的最大位移发生在面板中上部,其中主、次梁的最大挠度发生在跨中位置,最大挠度分别为4.32 mm、4.63 mm.《水利水电工程钢闸门设计规范》规定,潜孔式工作闸门主梁的最大挠度值与计算跨度的比值不超过1/750,次梁的最大挠度与计算跨度之比不超过1/250[2].小机组排沙底孔工作门跨度为7300mm,主梁容许挠度为9.73mm,可见主梁和次梁的最大计算挠度值均小于《水利水电工程钢闸门设计规范》规定的容许挠度,故排沙底孔工作门有足够的变形抵抗能力,其刚度满足要求.

3 结 论

(1)根据葛洲坝二江电站小机组改造后的排沙底孔工作门三维有限元分析计算结果,按照《水利水电工程钢闸门设计规范》对钢闸门强度和刚度的校核要求,葛洲坝二江电站小机组改造后的排沙底孔工作门的强度、刚度是满足要求的.

(2)对于具有结构对称的钢闸门,采用构建一半闸门结构模型的方式进行分析计算,比采用构建整个闸门结构模型的方式进行分析计算更合理,在不增加单元和节点总数的基础上,可以减少计算时间,提高计算精度.

[1] 阚前华,谭长建,等.ANSYS高级工程应用实例分析与二次开发[M].北京:电子工业出版社,2006.

[2] 东北勘察设计研究院.水利水电工程钢闸门设计规范SL74-95[S].1995.