思林垂直升船机承船厢卧倒门结构模态分析*

向 阳，金 龙，宋远卓，陈文琛

(杭州国电机械设计研究院有限公司，浙江杭州 310030)

0 引言

思林水电站坝址河段为Ⅳ级航道，通航建筑物按一次通过500 t级的机动单船设计。通航建筑物的型式为全平衡钢丝绳卷扬式垂直升船机。垂直升船机布置于枢纽左岸，由上游引航道、过坝渠道、本体段、下闸首、下游引航道等建筑物组成，总长约1 120 m，轴线方位垂直于坝轴线。

升船机承船厢通过钢丝绳与主提升机连接，通过卷筒的正反转实现承船厢的升降。为满足船厢运行与闸首对接的需要，船厢上设置了具有相应功能的设备。在船厢头两端设有船厢门、厢门启闭机及防撞设备等［1］。

承船厢卧倒门承受厢体内外水体的梯度载荷，水体的扰动导致卧倒门承受振动载荷。卧倒门在频繁的开启、关闭过程中，承受来自启闭机及承船厢的冲击交变载荷。

承船厢卧倒门随着船舶进出船厢，需要经常开启或关闭，设计时应该考虑闸门各部件承受不同程度的动力载荷，为了研究不同振动激励下对门体结构可能造成的影响，有必要对闸门的自振特性进行研究，从而为进一步的动力学和结构优化设计打下基础［2］。

1 卧倒门的结构简介

承船厢卧倒门主要由迎水面板、纵筋和横筋、连接支座、水封、水封压板等部分组成，思林升船机承船厢卧倒门的结构组成如图1所示。

图1 思林升船机承船厢卧倒门三维结构

升船机承船厢卧倒门位于承船厢厢头部分，通过相对于承船厢纵向中心线对称布置的两套液压启闭机同步驱动，实现卧倒门的开启和关闭。

升船机承船厢卧倒门的结构特点在于:包括门体、U型密封橡胶，用于连接U型密封橡胶的螺栓，门体底座，用于连接启闭机的连接臂和用于连接门体底座与连接臂的螺栓。门体迎水面的两侧及下部，通过螺栓连接有一U型框架的止水密封橡胶，门体底部固定有门体底座，门体底座与连接臂通过螺栓固定连接。

迎水面板厚度为10 mm，沿高度方向布置横向通筋的间距分别为1 400 mm、1 600 mm，沿宽度方向布置的纵筋间距控制在2 300 mm以内。卧倒门下方对称布置两个带内花键的支座，与启闭机的外花键轴配合，以实现卧倒门的开启与关闭，在支座附近设计局部桁架结构，以加强支座处的安全系数，如表1。

表1 卧倒门主要结构参数 /m

2 卧倒门的结构模态分析

2.1 模型简化

以思林升船机承船厢卧倒门为例，基于Solidworks，建立卧倒门的三维实体模型。螺栓连接部分不计入建模过程，通过Solidworks与Ansys的无缝接口，将卧倒门实体模型导入Ansys。

2.2 数值模型的建立

承船厢卧倒门材料选用Q345，采用APDL语言定义材料的弹性模量、泊松比、密度等。

采用实体单元Solid92对模型进行离散化，Solid92单元是带中间节点的四面体单元，有利于将复杂的结构划分出四面体，建立如图2所示的思林升船机结构有限元模型，该有限元模型划分为120 059个节点、65 106个单元。

图2 思林升船机承船厢卧倒门数值模型

2.3 边界条件的给定

当卧倒门关闭时，卧倒门底部支座固定约束，卧倒门与承船厢厢头门槛接触面受沿船厢纵向的约束。卧倒门受自重作用，不需要考虑静水压力、动水压力、波浪压力等其它载荷［3］。

2.4 求解结果与分析

升船机承船厢卧倒门结构复杂，板形种类繁多，并且存在避免应力集中的过渡圆角，升船机承船厢卧倒门数值模型的单元多，具有较多较差形状的单元。对大型数值模型的前六阶模态进行分析适合采用Block Lanczos法进行求解，Block Lanczos法还可以处理较多具有较差单元形状的有限元计算模型［4］。

后处理结果表明:

(1)当外部激励的频率与卧倒门自振频率接近时，将可能导致卧倒门的共振，使得卧倒门的局部强度、刚度急剧增大，造成结构损伤。

(2)由表2和图3可知，振动较严重的部分是门体上下边缘、左右端部及加强桁架处，也是承船厢卧倒门振动的危险区域。其中，前3阶模态振型表明承船厢卧倒门横筋板中上部及端部相对整个门体而言是薄弱环节;第四阶模态振型表明门体横筋板中上部及内侧加强桁架是薄弱环节;第五阶模态振型表明卧倒门的加强桁架相对而言是薄弱环节。

表2 思林升船机承船厢卧倒门的前6阶模态频率

图3 升船机承船厢卧倒门前五阶模态及其振型

3 结语

通过对思林升船机承船厢卧倒门的自振特性的研究，得出了前六阶固有频率及其振型，分析了卧倒门在不同振动频率下结构强度、刚度的变化特点，找出了卧倒门结构的薄弱环节，为卧倒门的动力学分析和结构优化设计奠定基础。

［1］ 谭守林.思林水电站500 t级垂直升船机设计布置［J］.贵州水力发电，2008(4):62－65.

［2］ 张学良，王家营，连晋华.基于ANSYS的桥式起重机主梁模态分析［J］.起重运输机械，2007(11):56－58.

［3］ 闻邦椿，刘风翘.振动机械的理论及应用［M］.北京:机械工业出版社，1982.

［4］ 廖湘辉，陈文琛，孙海涛，等.丹江口加高工程布料机结构模态分析［J］.起重运输机械，2012(11):82－84.