钢结构底铰链翻板闸强度的有限元分析

吴晓峰

（衢州江汇翻板闸门有限公司，浙江衢州324000）

0 引言

水力翻板闸是水工闸门的一种，被广泛应用于水利工程中，起到防洪、蓄水作用，其中以连杆滚轮式翻板闸及中部铰链式翻板闸最为常见，这两种翻板闸在泄洪时，过流水流从闸板底部和上部流过，然后汇流；闸板返回时，由于泄洪过程中水流夹杂着杂草和树枝，可能造成闸门底部关闭不严，难以密封[1-4]。底铰链翻板闸由于铰链设置在闸板底部，开闸泄洪彻底，关闸有效地防止了夹杂的产生，底部易于密封，因此近年来底铰链翻板闸逐渐流行起来[5]。底铰链翻板闸虽有上述优点，但蓄水时闸板迎水面承受着很大的水压力，此水压力对底铰链轴产生很大的力矩，使底铰链轴与闸板相交处产生较大的变形及应力，因此保证闸板具有足够的强度是安全使用底铰链翻板闸的关键。

综上所述，针对某现场的跨度为12 m、高度为4 m的底铰链翻板闸，拟采用ANSYS软件构建实体和板壳相结合的有限元模型，处理闸板的复杂结构，采用该有限元模型进行闸板的静强度分析，并对闸板的强度薄弱点进行结构补强的有限元模拟，以便为翻板闸的安全运行提供有力的理论支持。

1 底铰链翻板闸的结构组成及工作原理

1.1 底铰链翻板闸结构组成

分析的对象为一款液压式底铰链翻板闸门，由地基1、1块闸板2、2套闸板倾动机构3、2个闸板支座4、2套横梁限位机构5、2个支墩6等组成。此翻板闸门为一对称结构，闸板2处于河道中部，闸板倾动机构3、闸板支座4、横梁限位机构5等处于河道挡墙之外。闸板倾动机构是由油缸支座3-1、摆动油缸套3-2、油缸杆3-3、安装在闸板轴两端的摇臂2-2、地基1组成的四杆机构，此机构负责闸板倾动。横梁限位机构5是由限位横梁5-4、连杆5-3、油缸杆5-2、固定在地基上的油缸套5-1组成的四杆机构，此机构的功能是蓄水时横梁限位闸板，使闸板倾动机构的摆动油缸无需保压。

图1 液压式底铰链翻板闸蓄水示意图

图2 液压式底铰链翻板闸过流示意图

1.2 底铰链翻板闸工作原理

蓄水时，摆动油缸杆3-3伸长，驱动闸板2顺时针转动，当闸板2转动的角度略大于90°时，焊在闸板2的转臂2-2转过的角度也大于90°，此时驱动横梁限位机构5，油缸杆5-2伸长并带动连杆5-3，连杆5-3带动限位横梁5-4水平逆时针转动，当限位横梁5-4转到河道挡墙1-1凹槽及外墙1-2的凹槽内，并处在摇臂2-2右端平面2-4上方时，横梁限位机构5停止运动，闸板倾动机构3的油缸卸压，在水压及自身重力作用下闸板2有逆时针转动的趋势，限位横梁5-4受到向上的力，由于河道挡墙1-1凹槽及外墙1-2的凹槽约束的作用，限位横梁5-4受到向下的约束力，以此约束力抵抗蓄水时闸板2受到水压力及水力矩。

泄洪时，摆动油缸杆3-3稍微伸长，驱动闸板2顺时针小角度转动，此时限位横梁5-4卸载，垂直方向仅受自身重力，此时驱动横梁限位机构5，油缸杆5-2收缩并带动连杆5-3，连杆53带动限位横梁5-4水平顺时针转动，当限位横梁5-4移开摇臂2-2右端平面2-4时，横梁限位机构5停止运动。此时闸板倾动机构3不受限制，摆动油缸杆3-3收缩，驱动闸板2逆时针转动，开闸泄洪。泄洪时，闸板2平放在有橡胶垫的支墩6上。

2 底铰链翻板闸的有限元模型

2.1 分析的对象

强度分析的对象为底铰链翻板闸的闸板，闸板的跨度为12 m，高度为4 m，如图3所示。闸板本体2-1由钢板焊接而成，闸板本体底部焊有一圆轴2-3。圆轴的两侧各焊有一摇臂2-2，且摇臂2-2和闸板2-1本体呈45°夹角，可使闸板倾动机构的油缸的行程较小。蓄水时，依靠密封条7实现闸板2的密封，密封条7安装在地基、河道挡墙1-1及河道内。

图3 液压式底铰链翻板闸闸板

2.2 有限元模型

闸板为一复杂的结构件，其板面由纵横交错的薄钢板焊接而成，如果采用实体单元划分，将会产生大量的单元。因此对板面的薄钢板选用板壳单元，对轴及摇臂选用实体单元，其几何模型如图4所示，并对以上单元设置材料参数，其弹性模量为206 GPa，泊松比为0.3，密度为7850 kg/m3。划分单元时，板面的厚度10 mm定义为板壳元的实常数，然后把钢板及筋板划分成规则的矩形，轴的中部采用拖拉、扫略网格，轴的两端及转臂采用自由网格划分，共划分10 960个板壳单元，66 550个实体单元，通过以上操作，得到有限元模型。

图4 闸板的几何模型

蓄水时闸板受力最大，加载时对有限元模型加入重力场。两端轴头的圆柱面及转臂顶端平面（图3中2-4面）加入固定约束。按蓄水水面超过板面顶部0.2 m的极限工况，在板面的迎水面加入水压力函数，使水压力在板面高度方向形成梯形压力。

3 有限元强度分析结果

经求解，得到该翻板闸的应力分布，如图5所示。由图5可知，该翻板闸的最大应力发生在闸板板面与底铰链轴的相交处（图5 中MX 处），最大应力为326 MPa，超过了Q235的屈服极限（235 MPa），因此结构需要加强。

图5 闸板的应力分布

4 结构改进

鉴于以上原因，对该翻板闸进行了结构改进，在背水面的闸板板面与底铰链轴的相交处加入了10 mm 后的通板，使其相交处形成了箱形结构，经有限元试算后，其闸板底部的最大应力下降到212 MPa，小于板材的屈服极限（如图6），说明改进是有效的。

图6 闸板结构改进后应力分布

5 结论

底铰链翻板闸具有可防止夹杂产生、底部易于密封的优点，但蓄水时闸板迎水面承受着很大的水压力，造成了闸板产生较大应力，因此保证闸板具有足够的强度是安全使用底铰链翻板闸的关键。

对跨度为12 m、高度为4 m的底铰链翻板闸进行了有限元计算，得到该翻板闸的最大应力发生在闸板板面与底铰链的相交处，最大应力为326 MPa，超过了一般钢材的屈服极限。对该翻板闸进行了结构改进，在背水面的闸板板面与底铰链的相交处加入了10 mm厚的通板，使其相交处形成了箱形结构，经有限元试算后，其闸板底部的最大应力下降到212 MPa。板面的钢板及筋板采用板壳单元，轴的中部采用拖拉、扫略网格，轴的两端及转臂采用自由网格划分，使单元数大为减少，实现了用有限元方法计算复杂结构翻板闸闸板的强度计算。