基于OptiStruct 某闸坝的双扉门结构设计及研究

王建青 梁 鹏 蓝益华

杭州国电机械设计研究院有限公司 杭州 310030

0 引言

随着市民对周边居住环境要求越来越高，城市内河的综合治理成为当地政府的重要任务，建设闸坝不仅可以调节水位、减轻城市内涝，还可改善水环境、美化城市景观。在水利河道闸坝工程中应用较广泛的是平面钢闸门，具有结构简单、运行可靠、制作安装及维护检修方便、闸室短等优点，但平板闸门的启闭需要高大的启闭排架，使整座建筑物与周围环境不协调，影响景观和环境[1]。双扉门投资少，启闭排架高度低，易融入周围环境景观，应用越来越多。

双扉门分为上扉门和下扉门，两扇闸门分别在各自的工作门槽轨道里上下运行[2]。上扉门平时主要放置于闸孔上方的锁定梁上，使用频率较小，只有当水位超过下扉门门体高度时才从锁定梁放下与下扉门闭合参与挡水任务。下扉门主要放置于闸室口门底坎上，主要作用是挡水、充水和泄洪。当洪水水位过高需开启闸门泄洪时，上扉门与下扉门同时提起，承担部分泄洪任务[3]。

到目前为止，对于双扉门设计布置及应用的文献较多，研究闸门的静力学、动力学分析研究较少。本文以某城市内河综合治理中的闸坝工程所选用双扉门为研究对象，以Hypermesh14.0、OptiStruct 为前后处理软件，分析了此工程中上下扉门门叶的静力学特征和动力学模态特征，计算得出上下扉门在最大洪水位水压下的位移、应力数值和分布情况，并计算出双扉门门叶前二十阶的模态振型和特征值。

1 工程概况及扉门门叶设计

该闸站设计中兼顾挡水和通航功能，通航孔为单孔双向，单孔净宽为13 m，规模为Ⅶ级（50 t 级），最高通航水位为10.0 m，最低通航水位为9.5 m。闸站主要作用为调节水位、改善水环境、减轻城市内涝，建成后将内城河防洪标准提高至20 a 一遇。闸门选用双扉门，上下扉门在各自门槽中工作。双扉门主要由上扉门、下扉门、下扉门辊轮、侧轮、上扉门滑块、密封机构组件、启闭机、基础埋件及闸房等组成，总体布置简图如图1所示。

图1 总体布置简图

上扉门闸门尺寸为13 570 mm×6 100 mm×1 280 mm（宽×高×厚），门叶为薄壁实腹式焊接构件，主材Q345B，主横梁为2 根 300 mm×1 280 mm×20 mm×16 mm 变截面鱼腹箱形焊接梁，左右边梁为400 mm（600 mm）×520 mm×30 mm×16 mm 不等边箱形焊接梁，顶梁、底梁为200 mm×520 mm×30 mm×16 mm 工 字 钢 焊 接 梁， 竖 梁 为3 根300 mm×1 280 mm×20 mm×16 mm 变截面工字钢焊接梁，其余次梁均采用28a 槽钢，面板置于下游侧，厚度为14 mm。面板侧布置底止水，边梁侧布置侧止水，侧止水和底止水均采用P 形橡皮。上扉闸门支承采用8 块自润滑滑块，闸门侧向限位采用侧轮。

下扉门闸门尺寸为13 320 mm×5 500 mm×1 818 mm（宽×高×厚）。门叶为薄壁实腹式双主梁焊接构件，主材Q345B，主横梁为2 根300 mm×1 620 mm×20 mm×16 mm 变截面鱼腹箱形焊接梁，左右岸边梁为400 mm(600 mm)×520 mm×30 mm×16 mm 不等边箱形焊接梁，顶梁、底梁为200 mm×520 mm×30 mm×16 mm 工字钢焊接梁，竖梁为3 根300 mm×1 620 mm×20 mm×16 mm 变截面工字钢焊接梁，其余次梁均采用28a 槽钢， 面板置于上游侧，厚度为14 mm。面板侧布置顶止水、底止水，边梁侧布置反向侧止水，顶止水和侧止水均采用P 形橡皮，底止水采用2 道I30 止水橡皮。下扉门支承采用两侧各4 只Φ600 mm 铸钢滚轮，轴承采用聚四氟纤维金属基自润滑轴承，滚轮兼作反向限位装置；闸门侧向限位采用侧轮。

上下扉门启闭均采用双吊点启闭机，上扉门选用QP-2×250 kN-8 m 手电两用卷扬式启闭机，启门速度为1.5 m/min，闭门速度为1.5 m/min，最大工作行程为8 m，电机功率为20 kW。下扉门选用QP-2×400 kN-13 m 手电两用卷扬式启闭机，启门速度为1.5 m/min，闭门速度为1.5 m/min，最大工作行程为13 m，电机功率为 30 kW。

2 分析研究

2.1 两门门叶结构建模

以Hypermesh14.0 为建模软件，根据扉门门叶尺寸建立模型并划分有限元网格，结构采用Pshell 壳单元，材料选Q345B，类型卡片选Mat1 类型，泊松比为0.3，密度为78.5 kN/m3，弹性模量为210 000 MPa，剪切模量为81 000 MPa，上扉门叶共划分97 124 个单元，下扉门叶共划分102 119 个单元。上下扉门模型及有限元网格如图2 所示。

图2 上下扉门模型及有限元网格

2.2 上下扉门门叶静力学分析

1）上扉门门叶静力学分析

静力学分析时选用OptiStruct 作为后处理求解器。以边梁外侧下端点为坐标原点，坐标方向与整体坐标系一致，建立新坐标系，以最大洪水位的静水压力为载荷，选择水面下所有网格面单元，以公式Equation ＝9.8×(5 500-z)×10-6加Pressures 载荷，系统坐标系选用新建坐标系，约束则分别选择滑块处底板与门叶处节点y＝0、侧轮底板与门叶处节点x＝0、底止水面门叶上的节点z＝0，求解静力学特征。

门叶静力学计算结果显示，应变位移最大处为底梁中间，且由中间向两侧由下侧向上侧逐渐减小。应力主要由2 根主横梁承担，下端主横梁承担更多，主横梁与边梁连接处有应力集中表现，上扉最大位移为10.1 mm，跨度位移比为1 309，下端主横梁与边梁连接处出现最大应力为109 MPa，主横梁中间的应力为97 MPa，均小于选用材料Q345B 的许用应力225 MPa，上扉门应力和应变位移分布云图如图3 所示。

图3 上扉门应力和应变位移分布云图

2）下扉门门叶静力学分析

下门门叶静力学分析采用与上扉门同样后处理器。以边梁外侧下端点，坐标方向与整体坐标系一致，建立新坐标系，上游侧以最大洪水位的静水压力为载荷，下游侧以最低水位的静水水压为载荷，选择所有与水体接触的网格面单元，上下游侧分别以公式Equation ＝9.8×（10 800-z）×10-6，Equation＝9.8×（4 500-z）×10-6加Pressures 载荷，系统坐标以新坐标系参考点，约束则分别选择滑块处底板与门叶处节点y＝0、侧轮底板与门叶处节点x＝0、底止水面门叶上节点z＝0，求解静力学特征。

门叶静力学计算结果显示，应变位移最大处为顶梁中间，且由中间向两侧由上侧向下侧逐渐减小。应力主要由两条主横梁承担，上端主横梁承担更多，主横梁与边梁连接处有应力集中表现，上扉最大位移为11.7 mm，跨度位移比为1 152，，上端主横梁与边梁连接处出现最大应力为189 MPa，主横梁中间的应力为152 MPa 左右,均小于选用材料Q345B 的许用应力225 MPa，下扉门应力和应变位移分布云图如图4 所示。

图4 下扉门应力和应变位移分布云图

2.3 上下扉门门叶结构模态特性分析

1）上扉门门叶结构模态分析

模态分析选择与静力学相同的前后处理器和约束，并建立一个Load Collectors ，Card Image 设定为EiGRL，在0 ～1 000 Hz 内求解前二十阶模态振型及特征值。计算结果显示，振型表现为第一阶XY平面内顶梁振动，第二阶底梁及下主横梁XY平面内振动，第三阶XY平面内顶梁前后扰动，第四阶沿Z轴上下振动，第五阶及高阶模态为面板振动，前二十阶模态特征值如表1 所示，前六阶模态振型如图5 所示。

表1 上扉门特征值 Hz

图5 上扉门第一阶～第六阶振型图

2）下扉门门叶结构模态分析

下扉门模态分析与上扉门一样，也是求解0 ～1 000 Hz 内前二十阶振型和特征值，前六阶振型和特征值如表2 和图6 所示。计算结果显示，振型表现为第一阶XY平面内顶梁振动，第二阶底梁及下主横梁XY平面内振动，第三阶及后阶表现为主横梁、竖板的腹板振动。前二十阶模态特征值如表2 所示，前六阶模态振型如图6 所示。

表2 下扉门特征值 Hz

图6 下扉门第一阶～第六阶振型图

2.4 分析结果小结

上下扉门结构应力分别为各自的两根主横梁承担，在主横梁与边梁连接处出现最大应力，上下扉门应变位移由中间向两边逐渐变小，上下扉门门叶刚度和强度都满足工作要求。上下扉门特征值在15 ～70 Hz 中频段，下扉门前六阶特征值在21 ～39 Hz，均避开了水流脉动频率区段[4]，故上下扉门不会发生共振情况。振型上前两阶主要表现在顶梁或底梁的振动，第三阶及更高阶振型表现为主横梁、竖梁腹板及面板的振动。

3 结束语

本文介绍了某内河整治工程中的双扉门设计，并以Hyermesh14.0、OptiStruct 作为前后处理软件，分析了上下扉门门叶结构的静力学的应力应变分布情况以及动力学模态特征。静力学分析结果显示，应变和应力都在材料的许用范围内，刚度强度满足工作要求，应变较大处为上扉门位于顶梁中间，下扉在底梁中间位置，应变分布规律为上扉门由最大位置向下由中间向两边逐渐减小，下扉门由最大位置向上由中间向两边逐渐减小。最大应力在边梁和主横梁连接处，上下扉门竖梁应力均较小，为可设计优化的位置。上下扉门动力学约束模态分析得出前六阶特征值的范围为15 ～60 Hz，避开了水流脉动的频率区域，故上下扉门门叶不会发生共振现象。