基于协同仿真环境的水文缆道自立式钢管主塔有限元分析

张 利 田次平 游慕贤

(长江水利委员会水文局荆江水文水资源勘测局，湖北 荆州 434000)

基于协同仿真环境的水文缆道自立式钢管主塔有限元分析

张 利 田次平 游慕贤

(长江水利委员会水文局荆江水文水资源勘测局，湖北 荆州 434000)

为准确了解水文缆道在实际生产中的受力状态，采用ANSYS Workbench软件进行有限元模型分析。首先，用三维软件建立自立式塔架的三维模型，然后，运用ANSYS Workbench对其静态强度与刚度进一步进行精细化有限元分析。结果表明,自立式塔架强度有足够的冗余，可以适当减小底部管架的直径进行优化分析，使材料得到充分利用，制造更加简单。在满足工作要求前提下，选择最优的钢管塔架模型，可进一步提高经济效益。研究结果可为今后缆道设计提供参考。

自立式缆道塔架；ANSYS Workbench；水文缆道；静态分析

1 研究背景

水文缆道是用于测流、取沙水文测验的专用渡河设施，在我国已有几十年的应用历史。与其他传统水文测验的设施相比，水文缆道在高洪水位情况下无需测验人员下水，其定位精度和自动化程度很高，具有很明显的社会和经济效益[1]。长江水利委员会水文局荆江水文水资源勘测局(以下简称“荆江局”)从2000年高坝洲站缆道建设至今，在国内外已建成投入运行的水文缆道有14座。这些缆道为荆江四口和清江防汛测报、缅甸伊江和道耶坎的水电项目搜集水文资料，发挥了重要作用。本文以荆江局承接的长江流域省界断面水资源监测站网新建工程上津站缆道自立式塔架为研究对象，进行有限元分析。

目前，自立式缆道钢管塔架结构的应力分析采用整体空间桁架法。缆道设计规范安全系数选择所遵循的原则是，牵引索与主索安装不能保证时，塔架、基础等岸上机构仍保证安全[2]。以荆江局目前设计的上津站钢管塔架缆道为例，实测最高水位 140.00 m，最大流量2 480 m3/s；最低水位131.00 m，最小流量5.37 m3/s。缆道主跨设计为170.0 m，最大流速6.0 m/s，最大水深9 m，塔架整体高10 m，承载主索的塔架高8 m，水文缆道整体布局如图1所示。

图1 水文缆道整体布局

影响水文缆道安全的因素有：承载索、牵引索、支架和地锚支架等，与这些因素相比，缆道钢管塔架的危害系数最大，因此缆道钢管塔架的结构受力分析十分必要[3]。通过对钢管塔的强度分析和刚度分析，找出塔架的整体强度薄弱部位和变形(挠度)最大的部位，就可对塔架结构局部模型进行受力分析。通过有限元分析，可以准确掌握所设计的钢管塔架结构强度与疲劳状态，针对塔架进行设计改进，降低成本，使得效益最大化。这样不仅经济效益显著，而且对今后的缆道设计也有非常重要的参考意义。

2 建立有限元结构模型

2.1 缆道塔架受力情况分析

虽然缆道钢管塔架受多种力作用，但可简化为3个方面的主要受力：①地锚钢丝拉力；②主索及牵引索钢丝绳拉力；③风的阻力。这些力大部分集中在塔架顶部，目前的受力分析一般都是基于物理力学，但利用ANSYS Workbench进行有限元分析，更符合实际情况且切实可行，这也为水文缆道塔架结构分析与设计提供了新思路。

自立式塔架由3节组成，下面2节高均为4 m，上面1节是放置缆道主索通过的滑轮与避雷索的滑轮支架，高2 m，顶部为塔架避雷针。将设计二维图转换为三维模型如图2所示。

图2 自立式钢管塔架三维模型

2.2 建模及分析步骤

分析可以分为4步：①准备工作；②预处理；③求解模型；④后处理。通过这些步骤最终得出模拟水文缆道工作情况下的受力情况，进而得到比较完整的结果。通过结构的后处理，分析如何提高缆道塔架局部结构强度。

(1) 新建三维视图，建立有限元模型。针对三维立体杆件，模拟钢管塔架实际生产中的受力情况。钢管塔架主要几何参数为：高度10 m，底部直径1 040 mm，中部直径760 mm。

(2) 结构分析。分析前处理并计算缆道塔架最大额定载荷，其由2节钢管塔与顶部塔架组成，对其外部的一些零部件进行简化，然后进行自动划分网格。

(3) 静态分析。对塔架施加载荷及约束条件后，分别求出塔架受到的最大力与位移。

(4) 线性屈曲分析。主要研究结构在特定载荷下的稳定性以及确定结构失稳的临界条件下载荷。屈曲分析包括线性屈曲分析和非线性屈曲分析，本文主要采用线性屈曲分析，以小位移、小变形的弹性理论作为基础。

3 模型求解

3.1 载荷分析及计算

根据设计图纸，主要零部件都由Q235材料制成。Q235是ANSYS Workbench中的Sructural Steel，弹性模量E=200 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 850 kg/m3，屈服强度σs=235 MPa。

施加载荷与边界条件为 Mechanical求解的边界条件。水文缆道工作条件下，塔架上的载荷与作用可分为3类：固定载荷、可变载荷和偶然载荷。其中主要受固定载荷、主索的拉力、循环索拉力、风载荷、自重等影响较大[2]。根据水文缆道设计规范，按先定主索空载垂度的方法，主索计算公式为

由缆道设计规范提供的方法计算得到结果分别为2 473，309kg。取安全系数3.5，计算得到的缆道主索应力为8 656MPa，2个循环索应力为5 300MPa；其他的风载荷与自重对塔架的影响很小，暂时忽略。对自立式缆道塔三维模型进行网格划分，ANSYSWorkbench提供了自动划分网格方法，BodySize=80mm，钢管塔架网络效果划分与载荷分布情况如图3，4所示。

图3 缆道网络效果

图4 载荷分布

作为缆道工作时的主要支撑件，钢管塔架底部法兰通过螺杆与底部预埋件固定连接。因此，其底部平面可以看作固定支架。连接循环索的2个滑轮为压力载荷。

3.2 缆道塔架受力求解

对缆道钢管塔架网格划分后，施加载荷约束，可分别求出塔架在最大工作幅度时的最大应力及位移情况。即缆道行车运行到断面中部时起吊200 kg铅鱼，缆道钢管塔架最大应力为1.66×106MPa、最大位移为10.79 mm。其中，最大应力出现在塔架腰部。分析结果提示在实际设计制造过程中，应该加强塔架中部强度，最大位移出现在塔架的顶部，顶部与底部直径之比过大。

经过上述分析后得到，在底部直径1 040 mm时，受力有冗余，顶部位移较小，可以适当将底部直径减小，为了制造方便可以将底部尺寸改为760 mm。修改底部尺寸后，新的模型受力情况如图5，6所示。

图5 优化后应力分析云

图6 优化后应变分析云

图5为应力分析云，最大应力发生在缆道顶部，为1.95×106MPa；图6为应变分析云，最大位移为12.66 mm。规范中断面向偏移为40 mm，优化后位移比修改底部直径前的位移大，但是在可控范围内。

4 结 论

本文利用ANSYS Workbench模块分析了缆道钢管塔架有限元模型，分别在强度、刚度和稳定性方面对水文缆道自立式钢管塔架的受力进行了分析，并得出以下结论。

(1) 被分析的缆道钢管塔架在受到相同的力时，不同的直径受力情况不同。

(2) 此缆道塔架在ANSYS Workbench下，得到行车位于断面中部时，最大应力为1.66×106MPa、最大位移为10.79 mm。

(3) 优化后的塔架底部直径变小，应力为1.95×106MPa，应变中最大位移为12.66 mm。优化后的塔架在能够满足最大应力条件下，还能满足顶部部位应变的要求。

[1] 长江流域规划办公室水文处.水文缆道[M]. 北京：中国水利水电出版社，1978.

[2] SL622—2014《水文缆道设计规范》[S]. 北京：中国水利水电出版社，2014.

[3] 王承其，全学友，戴建国. 水文缆道塔架结构分析[J]. 建筑结构，2012(7)：49-51.

(编辑：陈紫薇)

2017-03-31

张利，男，长江水利委员会水文局荆江水文水资源勘测局，助理工程师.

1006-0081(2017)06-0022-03

P335.2

A