船闸横拉门静力数值分析

许东婷,胡友安

(河海大学机电工程学院,江苏常州213022)

京杭运河刘山复线船闸工程横拉门为2 000吨级船闸,2级通航建筑物。上下闸首均采用了横拉门。闸门采用15吨齿条式启闭机。闸门为桁架双面板结构。由于闸门设计时采用了传统的平面体系的设计方法,未能正确反映闸门空间的受力情况,忽略了各构件的相互联系及整体协调性,因此,为确保闸门安全可靠的运行,借助有限元分析软件对闸门的静力特性进行计算研究,为闸门设计提供理论依据十分必要。

1 计算模型及计算工况

1.1 计算模型和计算参数

以有限元软件ANSYS为计算平台,建立下游横拉门模型。闸门几何模型如图1。采用Shell63单元模拟面板、浮箱,Beam188单元模拟梁[1]。下游横拉门整体划分为13 654个单元,15 621个节点。下游横拉门的有限元网格如图2所示[2]。坐标系选择为:x轴为闸门长度方向,y轴竖直向上,z轴指向上游。

图1 船闸横拉门的几何模型

闸门结构选用材料Q235钢,弹性模量E=2.06×1011Pa,泊松比v=0.3,重力加速度取9.8 m/s2。同时考虑焊缝、加劲板等构件细部材料,取密度修正系数为1.2,将密度按 ρ=7850×1.2=9 420 kg/m3进行折算考虑[3]。

图2 有限元计算网格

1.2 计算工况及约束条件

根据闸门实际运行情况,闸门运行时受自身重力和水压力作用,重力加速度取9.8 m/s2。表1为闸门两种不通运行工况下的计算水位。

表1 不同工况下的计算水位 单位:m

闸门不同运行工况下的约束条件为:闸门底部滑轮处施加y方向、z方向的位移约束,闸门右吊架处施加x方向、y方向、z方向位移约束,闸门受压面板止水处施加z方向的位移约束。

2 强度及刚度评判标准

根据文献[4]的规定,确定各构件的容许应力。面板、浮箱其厚度小于等于12 mm(属钢材尺寸第一组),其材料容许应力[σ1]=160 MPa,[τ2]=95 MPa,对于大中型工程的在役闸门结构强度进行验算时,取容许应力修正系数 k=0.95×0.95=0.9025,修正后闸门材料的容许应力为:[σ2]=144.4 MPa,[τ2]=85.74 MPa,材料局部承压容许应力[σca′]=240 MPa,计算的最大应力值不得超过容许应力的5%,即252 MPa[5]。

根据文献[4]规定,刚度验算时要验算受弯构件的挠度,露顶式工作闸门最大挠度与计算跨度之比不应超过闸门主梁的1/600,该船闸横拉门为露顶式工作闸门,其主梁长度为23 m,则该船闸横拉门的最大允许挠度为38.33 mm。

3 计算结果与分析

3.1 结构应力分析

闸门在载荷的作用下,应力分布情况极为复杂,按第四强度理论对闸门的强度进行校核,折算应力为:

式中:σ1、σ2、σ3分别是 3个方向的主应力[6]。

正向通航时,闸门所受水压力最大。整体最大折算应力为 187 MPa,浮箱最大折算应力为222 MPa,面板最大折算应力为187 MPa,梁最大折算应力为107 MPa。位于面板与浮箱连接区域的焊缝处,出现局部应力集中现象,计算结果见表2。

表2 不同工况下面板和浮箱的最大折算应力值 单位:MPa

表3为不同工况下主横梁的最大折算应力。由表3知,主横梁应力值均小于材料的容许应力,满足强度要求。

表4为不同工况下竖桁架的最大折算应力。由表4知,竖桁架应力值均小于材料的容许应力,满足强度要求。

表3 不同工况下主横梁的最大折算应力 单位:MPa

3.2 刚度的计算结果与分析

图3为正向通航工况下的总体变形图。由图3可见,沿水压方向的变形是闸门的主要变形。闸门浮箱附近的面板变形最大,应对此结构进行优化,面板底部变形也相对较大,为更有效的防止底止水漏水,也可以对此位置进行结构优化。面板设计时多数都参考国内钢闸门设计规范,当出现上述情况,可参考美国面板设计规范,不同情况下,各国规范均有优劣势[7]。该闸门在各工况下的最大变形值见表5。由表5可见,最大变形值均小于38.33 mm,则该船闸横拉门满足刚度设计要求。

表4 不同工况下纵桁架的最大折算应力 单位:MPa

图3 正向通航下整体位移变形图

表5 不同工况下闸门的最大位移 单位:mm

4 结 语

(1)采用ANSYS建立的船闸横拉门模型,在各种载荷作用下的变形及应力分布规律符合实际情况,所建模型合理,能够正确反映闸门的实际情况。

(2)计算结果表明,该船闸横拉门整体满足强度设计要求,但浮箱与面板连接区域存在应力集中现象,应作强化处理。该船闸横拉门整体满足刚度设计要求。但浮箱附近和面板底部变形仍较大,为更有效的防止底止水漏水和闸门的可靠运行,可对对应的位置作相应的结构优化。

(3)本文所作研究为闸门的安全可靠运行提供了一定的理论依据,可供同类型闸门的设计计算借鉴。

[1] 胡友安,王 孟.水工钢闸门数值模拟与工程实践[M].北京:中国水利水电出版社,2010:24-27.

[2] 龚曙光.ANSYS基础应用及范例解析[M].北京:机械工业出版社,2003.

[3] 王 孟.船闸扇形门静力数值分析[J].三峡大学学报,2011,33(2):20-22.

[4] 水利部电力工业部东北勘测设计研究院.SL74-2003水利水电工程钢闸门设计规范[S].北京:中国水利水电出版社,2003.

[5] 朱怀淼,胡友安,任 超,等.可升卧式翻板闸门的静力数值分析[J].水电能源科学,2009,27(4):120-122.

[6] 周建方.材料力学[M].北京:机械工业出版社,2002.

[7] 周建方,丁 伟.中美水工钢闸门面板设计公式比较分析[J].水利与建筑工程学报,2012,10(6):180-182.