船闸输水阀门流激振动研究

温承永　武坤鹏　汤凯

摘 要：采用ANSYS有限元软件并且结合原型观测的实测数据，对长沙枢纽船闸输水阀门进行流激振动特性的计算分析，结果表明目前阀门运行情况良好，门体的流激振动轻微，强度刚度均符合要求，阀门安全可靠，但门体尚存在薄弱部位，在运行中应注意安全防范工作。

关键词：流激振动；输水阀门；原型观测

船闸的运行中，由于每天都频繁地对输水阀门进行开启和关闭，输水阀门的力学问题尤显突出。阀门启闭过程受力条件较为复杂，其结构稳定性、流激振动等安全问题越来越受到水利界的重视[1-3]。本文以长沙枢纽输水阀门为例，建立输水阀门有限元模型，运用ANSYS有限元软件对运行期水位下的阀门进行流激振动特性研究，具有一定的工程应用价值，同时也可以为同类阀门的设计提供依据。

1 阀门有限元模型

输水阀门所用的钢材型号为Q345b钢，其弹性模量E=2.06×1011Pa，泊松比？滋=0.26，密度ρ=7850kg/m3。有限元模型中，面板、横梁、纵梁、吊耳、翼板及底缘全部离散为薄板单元，采用壳单元shell63模拟，流固耦合中门体附加的水体质量采用Mass21质量单元模拟，模型共有61609个单元，61187个节点，模型X方向为行程方向，Y方向为阀门侧向，Z为水流方向，阀门三维有限元模型如图1所示。

图1 有限元模型示意图

2 阀门模态分析

阀门自振频率是其振动的内因，研究输水阀门的动特性和流激振动，都必须基于阀门自振特性。探究阀门自振特性，如何设计、选用能够避开水流脉动频率的阀门，是工程上迫切关注的问题。对阀门进行模态分析主要有两个目的，第一，分析前几阶的自身固有频率，避免其与水流荷载发生共振。第二，分析前几阶的振型，对门体软弱部位的破坏进行预防。

考虑到水体对门体具有耦合作用，门体干模态与湿模态差别相当显著，在计算中采取附加质量法实现门体与水体之间的耦合[4]。工程上所关心的通常是阀门的低阶模态特性，利用ANSYS计算了原型观测水位时， 0.5m、1.5m、2.5m、3.5m、4.5m共5个开度下，阀门前5阶自振频率和振型。

表1 不同开度下自振频率（Hz）

阀门前两阶振型主要是门体左、右下角发生较大的扭曲变形，该部位直接与水流接触，容易受到破坏。第三阶振型除门体左、右下角发生较大的扭曲变形外，纵梁下部侧位移较大，此时门体整体呈侧向弯曲形变。第四阶振型、第五阶振型为门体下部逆着水流方向发生凸起的弯曲变形、门体下部顺着水流方向发生凹下的弯曲变形，侧滑轮和止水的约束使得门体两侧刚度较大、形变量小，中间部位刚度小、形变量大。

3 流激振动原型观测

选取上游水位26.8m，下游水位23.6m的运行期常水位进行阀门振动加速度的原型观测。阀门在3.2m水头差下双边匀速开启，开启时间为244.6s，对于X方向，开度在1.5m与2m之间时振动加速度出现最大值0.46m/s2，绝大多数振动值均在0.2m/s2范围内；对于Y方向，阀门开度在3m与3.5m开度之间振动加速度出现最大值1.64m/s2，绝大多数振动值均在0.4 m/s2范围内；对于Z方向，阀门开度在2m附近时，振动加速度出现最大值0.44m/s2，绝大多数振动值均在0.3 m/s2范围内；对于总加速度，阀门开度在3m与3.5m之间振动加速度达到最大值1.64m/s2，绝大多数振动值均在0.7m/s2范围内。

图2 X向振动加速度图 图3 Y向振动加速度图

图4 Z向振动加速度图 图5 总振动加速度图

4 流激振动应力、应变特性

由于廊道内水体流态变化极其复杂且不稳定，很难获得到门体实际承受的水体荷载，并在有限元模型上进行加载计算[4]。本文的计算思路是将阀门所受到的实测振动荷载施加到有限元模型中，计算振动剧烈时刻阀门结构的应力应变情况，研究其振动特性。

表2 X向振动最大时各部位最大应力应变值

表3 Y向振动最大时各部位最大应力应变值

表4 Z向振动最大时各部位最大应力应变值

X方向振动分量达到最大时，门体最大应力为34.3MPa，最大应变量为0.567mm，均发生在迎水板的左下角和右下角。Y方向振动分量达到最大时，同时也是整个运行过程中总加速度最大时刻，门体最大应力为255MPa，发生在吊耳与顶横梁交接处，最大应变量为0.987mm，发生在迎水板的左下角和右下角。Z方向振动分量达到最大时，门体最大应力为158MPa，最大应变量为3.674mm，均发生在迎水板的左下角和右下角，此时外侧底缘部位最大应力达到138 MPa。

计算结果表明，观测水位下，运行过程中阀门各部位的应力均没有超过材料的局部承压容许应力345MPa，材料富有安全度，迎水板的左、右下角变形较大属于振动薄弱部位。阀门振动加速度未出现较大波动，振动强度比较小，属于微幅振动。阀门局部应力较大部位为：吊耳与顶横梁连接处、迎水板左、右下角、外侧纵梁与滑轮交接处、背水板与横、纵梁共同交汇处、底缘外侧以及中间部位。相对而言，阀门Y方向（即侧向）的振动较为剧烈，应力集中现象较为明显，造成门体的破坏主要是吊耳与顶横梁焊接处。阀门Z方向（即水流方向）的振动，虽然应力集中并不明显，但对门体的形变破坏最为严重，此时门体底缘附近部位破坏最为严重。阀门X方向（即行程方向）振动的幅值与Z方向类似，但给阀门带来的破坏相对Z方向而言要轻微得多，可见，Y、Z方向振动是阀门流激振动的主导因子。

5 结束语

本文研究表明在运行期水头下，阀门的应力应变并不大，发生的流激振动属于微幅振动，不影响结构的安全。阀门结构的基频在1-3Hz之间，略微偏低，水流荷载容易激励阀门发生前5阶振型，阀门局部应力较大部位主要是迎水面板左、右下角、吊耳与顶横梁连接处、外侧纵梁与滑轮交接处、背水面板与横、纵梁共同交汇处、底缘外侧以及中间部位，无论从振型分析还是动特性仿真分析都能看出，阀门迎水面板左、右下角是最不利部位[5]。

目前水位差不高，阀门工作状态良好。但为了保证船闸后期正常运转，需对输水阀门进行不断的调试和分析，使得阀门充分发挥其结构特性[6-8]。

参考文献

[1]阎诗武.船闸阀门振动研究的发展与成就[J].振动测试与诊断，1998，01：19-25+74.

[2]陈明，宣国祥，陈明栋.船闸输水系统水动力学研究综述[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2013，01：157-160+168.

[3]吴杰芳，张林让，曹晓丽，李声平，彭定.三峡船闸末级泄水阀门振动水弹性模型研究[J].长江科学院院报，2005，03：38-40.

[4]姬锐敏.长沙枢纽弧形闸门静动力特性研究[D].长沙理工大学，2013.

[5]骆少泽，阎诗武，陈发展，樊宝康.五强溪船闸输水阀门流激振动原型观测[C].1999-中国水利发电工程学会通航专业委员会第三届第二次学术交流会.

[6]江耀祖，吴英卓，陈辉，於三大，耿峻.三峡船闸六闸首输水阀门运行方式优化[J].长江科学院院报，2013，08：18-20.

[7]谢凯.三峡船闸输水阀门运行参数优化[J].水运工程，2011，06：126-130.

[8]杨忠超，杨斌，陈明栋，胡雪梅.高水头船闸阀门开启过程水力特性仿真研究[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2009，04：758

作者简介：温承永（1989-），男，江西九江人，长沙理工大学硕士研究生。endprint

摘 要：采用ANSYS有限元软件并且结合原型观测的实测数据，对长沙枢纽船闸输水阀门进行流激振动特性的计算分析，结果表明目前阀门运行情况良好，门体的流激振动轻微，强度刚度均符合要求，阀门安全可靠，但门体尚存在薄弱部位，在运行中应注意安全防范工作。

关键词：流激振动；输水阀门；原型观测

船闸的运行中，由于每天都频繁地对输水阀门进行开启和关闭，输水阀门的力学问题尤显突出。阀门启闭过程受力条件较为复杂，其结构稳定性、流激振动等安全问题越来越受到水利界的重视[1-3]。本文以长沙枢纽输水阀门为例，建立输水阀门有限元模型，运用ANSYS有限元软件对运行期水位下的阀门进行流激振动特性研究，具有一定的工程应用价值，同时也可以为同类阀门的设计提供依据。

1 阀门有限元模型

输水阀门所用的钢材型号为Q345b钢，其弹性模量E=2.06×1011Pa，泊松比？滋=0.26，密度ρ=7850kg/m3。有限元模型中，面板、横梁、纵梁、吊耳、翼板及底缘全部离散为薄板单元，采用壳单元shell63模拟，流固耦合中门体附加的水体质量采用Mass21质量单元模拟，模型共有61609个单元，61187个节点，模型X方向为行程方向，Y方向为阀门侧向，Z为水流方向，阀门三维有限元模型如图1所示。

图1 有限元模型示意图

2 阀门模态分析

阀门自振频率是其振动的内因，研究输水阀门的动特性和流激振动，都必须基于阀门自振特性。探究阀门自振特性，如何设计、选用能够避开水流脉动频率的阀门，是工程上迫切关注的问题。对阀门进行模态分析主要有两个目的，第一，分析前几阶的自身固有频率，避免其与水流荷载发生共振。第二，分析前几阶的振型，对门体软弱部位的破坏进行预防。

考虑到水体对门体具有耦合作用，门体干模态与湿模态差别相当显著，在计算中采取附加质量法实现门体与水体之间的耦合[4]。工程上所关心的通常是阀门的低阶模态特性，利用ANSYS计算了原型观测水位时， 0.5m、1.5m、2.5m、3.5m、4.5m共5个开度下，阀门前5阶自振频率和振型。

表1 不同开度下自振频率（Hz）

阀门前两阶振型主要是门体左、右下角发生较大的扭曲变形，该部位直接与水流接触，容易受到破坏。第三阶振型除门体左、右下角发生较大的扭曲变形外，纵梁下部侧位移较大，此时门体整体呈侧向弯曲形变。第四阶振型、第五阶振型为门体下部逆着水流方向发生凸起的弯曲变形、门体下部顺着水流方向发生凹下的弯曲变形，侧滑轮和止水的约束使得门体两侧刚度较大、形变量小，中间部位刚度小、形变量大。

3 流激振动原型观测

选取上游水位26.8m，下游水位23.6m的运行期常水位进行阀门振动加速度的原型观测。阀门在3.2m水头差下双边匀速开启，开启时间为244.6s，对于X方向，开度在1.5m与2m之间时振动加速度出现最大值0.46m/s2，绝大多数振动值均在0.2m/s2范围内；对于Y方向，阀门开度在3m与3.5m开度之间振动加速度出现最大值1.64m/s2，绝大多数振动值均在0.4 m/s2范围内；对于Z方向，阀门开度在2m附近时，振动加速度出现最大值0.44m/s2，绝大多数振动值均在0.3 m/s2范围内；对于总加速度，阀门开度在3m与3.5m之间振动加速度达到最大值1.64m/s2，绝大多数振动值均在0.7m/s2范围内。

图2 X向振动加速度图 图3 Y向振动加速度图

图4 Z向振动加速度图 图5 总振动加速度图

4 流激振动应力、应变特性

由于廊道内水体流态变化极其复杂且不稳定，很难获得到门体实际承受的水体荷载，并在有限元模型上进行加载计算[4]。本文的计算思路是将阀门所受到的实测振动荷载施加到有限元模型中，计算振动剧烈时刻阀门结构的应力应变情况，研究其振动特性。

表2 X向振动最大时各部位最大应力应变值

表3 Y向振动最大时各部位最大应力应变值

表4 Z向振动最大时各部位最大应力应变值

X方向振动分量达到最大时，门体最大应力为34.3MPa，最大应变量为0.567mm，均发生在迎水板的左下角和右下角。Y方向振动分量达到最大时，同时也是整个运行过程中总加速度最大时刻，门体最大应力为255MPa，发生在吊耳与顶横梁交接处，最大应变量为0.987mm，发生在迎水板的左下角和右下角。Z方向振动分量达到最大时，门体最大应力为158MPa，最大应变量为3.674mm，均发生在迎水板的左下角和右下角，此时外侧底缘部位最大应力达到138 MPa。

计算结果表明，观测水位下，运行过程中阀门各部位的应力均没有超过材料的局部承压容许应力345MPa，材料富有安全度，迎水板的左、右下角变形较大属于振动薄弱部位。阀门振动加速度未出现较大波动，振动强度比较小，属于微幅振动。阀门局部应力较大部位为：吊耳与顶横梁连接处、迎水板左、右下角、外侧纵梁与滑轮交接处、背水板与横、纵梁共同交汇处、底缘外侧以及中间部位。相对而言，阀门Y方向（即侧向）的振动较为剧烈，应力集中现象较为明显，造成门体的破坏主要是吊耳与顶横梁焊接处。阀门Z方向（即水流方向）的振动，虽然应力集中并不明显，但对门体的形变破坏最为严重，此时门体底缘附近部位破坏最为严重。阀门X方向（即行程方向）振动的幅值与Z方向类似，但给阀门带来的破坏相对Z方向而言要轻微得多，可见，Y、Z方向振动是阀门流激振动的主导因子。

5 结束语

本文研究表明在运行期水头下，阀门的应力应变并不大，发生的流激振动属于微幅振动，不影响结构的安全。阀门结构的基频在1-3Hz之间，略微偏低，水流荷载容易激励阀门发生前5阶振型，阀门局部应力较大部位主要是迎水面板左、右下角、吊耳与顶横梁连接处、外侧纵梁与滑轮交接处、背水面板与横、纵梁共同交汇处、底缘外侧以及中间部位，无论从振型分析还是动特性仿真分析都能看出，阀门迎水面板左、右下角是最不利部位[5]。

目前水位差不高，阀门工作状态良好。但为了保证船闸后期正常运转，需对输水阀门进行不断的调试和分析，使得阀门充分发挥其结构特性[6-8]。

参考文献

[1]阎诗武.船闸阀门振动研究的发展与成就[J].振动测试与诊断，1998，01：19-25+74.

[2]陈明，宣国祥，陈明栋.船闸输水系统水动力学研究综述[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2013，01：157-160+168.

[3]吴杰芳，张林让，曹晓丽，李声平，彭定.三峡船闸末级泄水阀门振动水弹性模型研究[J].长江科学院院报，2005，03：38-40.

[4]姬锐敏.长沙枢纽弧形闸门静动力特性研究[D].长沙理工大学，2013.

[5]骆少泽，阎诗武，陈发展，樊宝康.五强溪船闸输水阀门流激振动原型观测[C].1999-中国水利发电工程学会通航专业委员会第三届第二次学术交流会.

[6]江耀祖，吴英卓，陈辉，於三大，耿峻.三峡船闸六闸首输水阀门运行方式优化[J].长江科学院院报，2013，08：18-20.

[7]谢凯.三峡船闸输水阀门运行参数优化[J].水运工程，2011，06：126-130.

[8]杨忠超，杨斌，陈明栋，胡雪梅.高水头船闸阀门开启过程水力特性仿真研究[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2009，04：758

作者简介：温承永（1989-），男，江西九江人，长沙理工大学硕士研究生。endprint

摘 要：采用ANSYS有限元软件并且结合原型观测的实测数据，对长沙枢纽船闸输水阀门进行流激振动特性的计算分析，结果表明目前阀门运行情况良好，门体的流激振动轻微，强度刚度均符合要求，阀门安全可靠，但门体尚存在薄弱部位，在运行中应注意安全防范工作。

关键词：流激振动；输水阀门；原型观测

船闸的运行中，由于每天都频繁地对输水阀门进行开启和关闭，输水阀门的力学问题尤显突出。阀门启闭过程受力条件较为复杂，其结构稳定性、流激振动等安全问题越来越受到水利界的重视[1-3]。本文以长沙枢纽输水阀门为例，建立输水阀门有限元模型，运用ANSYS有限元软件对运行期水位下的阀门进行流激振动特性研究，具有一定的工程应用价值，同时也可以为同类阀门的设计提供依据。

1 阀门有限元模型

输水阀门所用的钢材型号为Q345b钢，其弹性模量E=2.06×1011Pa，泊松比？滋=0.26，密度ρ=7850kg/m3。有限元模型中，面板、横梁、纵梁、吊耳、翼板及底缘全部离散为薄板单元，采用壳单元shell63模拟，流固耦合中门体附加的水体质量采用Mass21质量单元模拟，模型共有61609个单元，61187个节点，模型X方向为行程方向，Y方向为阀门侧向，Z为水流方向，阀门三维有限元模型如图1所示。

图1 有限元模型示意图

2 阀门模态分析

阀门自振频率是其振动的内因，研究输水阀门的动特性和流激振动，都必须基于阀门自振特性。探究阀门自振特性，如何设计、选用能够避开水流脉动频率的阀门，是工程上迫切关注的问题。对阀门进行模态分析主要有两个目的，第一，分析前几阶的自身固有频率，避免其与水流荷载发生共振。第二，分析前几阶的振型，对门体软弱部位的破坏进行预防。

考虑到水体对门体具有耦合作用，门体干模态与湿模态差别相当显著，在计算中采取附加质量法实现门体与水体之间的耦合[4]。工程上所关心的通常是阀门的低阶模态特性，利用ANSYS计算了原型观测水位时， 0.5m、1.5m、2.5m、3.5m、4.5m共5个开度下，阀门前5阶自振频率和振型。

表1 不同开度下自振频率（Hz）

阀门前两阶振型主要是门体左、右下角发生较大的扭曲变形，该部位直接与水流接触，容易受到破坏。第三阶振型除门体左、右下角发生较大的扭曲变形外，纵梁下部侧位移较大，此时门体整体呈侧向弯曲形变。第四阶振型、第五阶振型为门体下部逆着水流方向发生凸起的弯曲变形、门体下部顺着水流方向发生凹下的弯曲变形，侧滑轮和止水的约束使得门体两侧刚度较大、形变量小，中间部位刚度小、形变量大。

3 流激振动原型观测

选取上游水位26.8m，下游水位23.6m的运行期常水位进行阀门振动加速度的原型观测。阀门在3.2m水头差下双边匀速开启，开启时间为244.6s，对于X方向，开度在1.5m与2m之间时振动加速度出现最大值0.46m/s2，绝大多数振动值均在0.2m/s2范围内；对于Y方向，阀门开度在3m与3.5m开度之间振动加速度出现最大值1.64m/s2，绝大多数振动值均在0.4 m/s2范围内；对于Z方向，阀门开度在2m附近时，振动加速度出现最大值0.44m/s2，绝大多数振动值均在0.3 m/s2范围内；对于总加速度，阀门开度在3m与3.5m之间振动加速度达到最大值1.64m/s2，绝大多数振动值均在0.7m/s2范围内。

图2 X向振动加速度图 图3 Y向振动加速度图

图4 Z向振动加速度图 图5 总振动加速度图

4 流激振动应力、应变特性

由于廊道内水体流态变化极其复杂且不稳定，很难获得到门体实际承受的水体荷载，并在有限元模型上进行加载计算[4]。本文的计算思路是将阀门所受到的实测振动荷载施加到有限元模型中，计算振动剧烈时刻阀门结构的应力应变情况，研究其振动特性。

表2 X向振动最大时各部位最大应力应变值

表3 Y向振动最大时各部位最大应力应变值

表4 Z向振动最大时各部位最大应力应变值

X方向振动分量达到最大时，门体最大应力为34.3MPa，最大应变量为0.567mm，均发生在迎水板的左下角和右下角。Y方向振动分量达到最大时，同时也是整个运行过程中总加速度最大时刻，门体最大应力为255MPa，发生在吊耳与顶横梁交接处，最大应变量为0.987mm，发生在迎水板的左下角和右下角。Z方向振动分量达到最大时，门体最大应力为158MPa，最大应变量为3.674mm，均发生在迎水板的左下角和右下角，此时外侧底缘部位最大应力达到138 MPa。

计算结果表明，观测水位下，运行过程中阀门各部位的应力均没有超过材料的局部承压容许应力345MPa，材料富有安全度，迎水板的左、右下角变形较大属于振动薄弱部位。阀门振动加速度未出现较大波动，振动强度比较小，属于微幅振动。阀门局部应力较大部位为：吊耳与顶横梁连接处、迎水板左、右下角、外侧纵梁与滑轮交接处、背水板与横、纵梁共同交汇处、底缘外侧以及中间部位。相对而言，阀门Y方向（即侧向）的振动较为剧烈，应力集中现象较为明显，造成门体的破坏主要是吊耳与顶横梁焊接处。阀门Z方向（即水流方向）的振动，虽然应力集中并不明显，但对门体的形变破坏最为严重，此时门体底缘附近部位破坏最为严重。阀门X方向（即行程方向）振动的幅值与Z方向类似，但给阀门带来的破坏相对Z方向而言要轻微得多，可见，Y、Z方向振动是阀门流激振动的主导因子。

5 结束语

本文研究表明在运行期水头下，阀门的应力应变并不大，发生的流激振动属于微幅振动，不影响结构的安全。阀门结构的基频在1-3Hz之间，略微偏低，水流荷载容易激励阀门发生前5阶振型，阀门局部应力较大部位主要是迎水面板左、右下角、吊耳与顶横梁连接处、外侧纵梁与滑轮交接处、背水面板与横、纵梁共同交汇处、底缘外侧以及中间部位，无论从振型分析还是动特性仿真分析都能看出，阀门迎水面板左、右下角是最不利部位[5]。

目前水位差不高，阀门工作状态良好。但为了保证船闸后期正常运转，需对输水阀门进行不断的调试和分析，使得阀门充分发挥其结构特性[6-8]。

参考文献

[1]阎诗武.船闸阀门振动研究的发展与成就[J].振动测试与诊断，1998，01：19-25+74.

[2]陈明，宣国祥，陈明栋.船闸输水系统水动力学研究综述[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2013，01：157-160+168.

[3]吴杰芳，张林让，曹晓丽，李声平，彭定.三峡船闸末级泄水阀门振动水弹性模型研究[J].长江科学院院报，2005，03：38-40.

[4]姬锐敏.长沙枢纽弧形闸门静动力特性研究[D].长沙理工大学，2013.

[5]骆少泽，阎诗武，陈发展，樊宝康.五强溪船闸输水阀门流激振动原型观测[C].1999-中国水利发电工程学会通航专业委员会第三届第二次学术交流会.

[6]江耀祖，吴英卓，陈辉，於三大，耿峻.三峡船闸六闸首输水阀门运行方式优化[J].长江科学院院报，2013，08：18-20.

[7]谢凯.三峡船闸输水阀门运行参数优化[J].水运工程，2011，06：126-130.

[8]杨忠超，杨斌，陈明栋，胡雪梅.高水头船闸阀门开启过程水力特性仿真研究[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2009，04：758

作者简介：温承永（1989-），男，江西九江人，长沙理工大学硕士研究生。endprint