船舶撞击作用下船闸人字门三维有限元动力分析

马晓攀，王海建

(中水珠江规划勘测设计有限公司，广州 510610)

人字闸门常作为船闸闸首的工作闸门，在运行过程中易受到船舶撞击。受撞击后，人字闸门将发生振动，门叶变形，甚至杆件弯曲断裂、焊缝开裂等，以致闸门及周围建筑物遭到破坏，影响船闸的正常运行。目前，国内外关于船舶撞击的模拟分析，大多是针对船舶与桥梁、船舶与码头之间的碰撞分析，对于船闸闸门受船舶撞击时的动力分析较少，基本采用三维实体单元与板壳单元组合建模进行分析。本文利用有限元数值仿真方法模拟船舶对闸门的碰撞作用，通过研究船闸人字门受船舶撞击的动力响应特性，可以直观地显示闸门应力大小及分布，能更好地对结构的薄弱环节进行加固处理或者采取相应的防撞措施，对优化船闸结构设计以及船闸防撞装置设计都有着重要作用。

1 某工程船闸人字闸门简介

以某水电站船闸为例，船闸上下游工作门均为平面横梁式人字钢闸门，由称承重结构、支撑部件等组成。每扇闸门高为8.48 m，宽为8.984 m，顺河向宽度为1.15 m，设计最高水位为11.58 m，由5根主横梁、5根纵梁、6根水平次梁、2个背拉杆和面板等构成的空间体系。材料均采用Q235钢，其弹性模量为2.06×1011Pa，材料密度为7 850 kg/m3，泊松比为0.3。航行于该河段的运输船舶，大部分载重为130～160 t，船舶尺寸多为27 m×6 m×1.25 m。

2 无防撞装置人字闸门计算分析

2.1 人字闸门模型建立

整体耦合模型的坐标系为笛卡尔坐标系：X轴沿主梁轴向，指向斜接柱；Y轴铅直向上；Z轴垂直于X-Y平面，指向上游面板。

人字闸门在正常工作时，通过各构件之间的相互作用共同承担所受的载荷，面板、主横梁、纵梁的翼缘等构件将发生轴向拉伸、扭转、剪切、弯曲等组合变形。考虑各构件的几何性质、受力特点和变形特征以及构件之间具有协同作用的关系，为全面了解闸门各组成部件的应力和变形规律，人字闸门的面板、横梁腹板、纵梁腹板、斜接柱和门轴柱端板及其腹板等薄板单元均采用空间壳单元Shell63；横梁上下翼缘、纵梁上下翼缘、水平次梁等均采用空间梁单元Beam188；背拉杆和拉杆采用轴力杆单元Link8[1-6]。人字闸门空间有限元模型示意如图1所示。

图1 人字闸门三维有限元模型示意

2.2 约束处理

根据闸门的布置和运行状况，人字闸门在全开状态下的边界约束情况主要有：顶枢、底枢和启闭杆的位移约束[7-8]。约束条件如下：① 底枢的约束处理比较简单，可以直接对底枢及其周围的节点限制位移，同时施加三向位移约束，可以大大降低底枢中心处的应力集中现象；② 顶枢的处理和底枢类似，在顶枢中心及其周围单元节点上施加水平二向位移约束；③ 推拉杆的约束处理为一端连接在门叶上，另一端施加三项位移约束和三向转动约束。

2.3 荷载施加

作用在人字闸门上的荷载主要有A1(闸门自重)、A2(静水压力)、A3(动水压力)、A4(浪压力)、A5(水锤压力)、A6(风压力)、A7(淤沙压力)、A8(漂浮物撞击力，受撞击时)。根据本文研究内容和目的，为简化计算过程，选取荷载组合见表1。

表1 人字闸门荷载组合

根据《水利水电工程钢闸门设计规范》[9]，漂浮物撞击力按公式(1)计算：

(1)

式中:

Pz——漂浮物撞击力，kN；

WP——漂浮物重量，kN；

ν——水流速度，m/s；

g——重力加速度，m/s2，取9.8 m/s2；

t——撞击时间，s。

计算撞击力时，取水流速度为船舶出闸速度为0.5 m/s，撞击时间为40 ms，船舶吨位为160 t。

船舶撞击力采用三角脉冲的方式以与面板成不同的角度施加于闸门背面的主梁或纵梁上，利用ANSYS瞬态结构分析功能进行模拟计算，撞击力采用斜坡式(Ramped)加载，瞬态分析的载荷—时间曲线如图2所示。闸门受到撞击时，由于结构的运动以及水体的质量和弹性的影响，将引起闸门挡水面上水压力的变化，这种变化的水压力称为动水压力。进行船闸人字门的撞击分析时，须考虑水体动水压力的影响。ANSYS中，并没有直接计算动水压力附加质量的功能，为了将附加质量考虑到闸门的动力分析中，需要借助参数化语言对其进行二次开发，并使用Mass21单元将动水附加质量加入到整个计算模型中[2]。

图2 载荷—时间曲线示意

2.4 计算工况的确定

根据闸门尺寸、通航水深、船舶尺寸、船舶吃水深度及该河段往年撞击事故记录等因素，可选择船闸人字门受船舶撞击的计算工况见表2，撞击位置见图3。

表2 计算工况

图3 各种工况下撞击位置示意

撞击位置1：撞击点在3#主梁和4#主梁之间的3#纵梁后翼缘上。

撞击位置2：撞击点在4#主梁和3#纵梁的下游连接处。

2.5 应力强度评判标准

闸门材料均采用Q235钢，面板厚度为12 mm，1#和5#主梁腹板为16 mm，2#～4#主梁腹板厚度为12 mm，主梁上、下翼缘厚度分别为14 mm和16 mm，1#和5#纵梁腹板厚度为16 mm，2#～4#纵梁腹板厚度为12 mm，纵梁翼缘下翼缘厚度为16 mm，均属于钢材尺寸分组中的第1组，其材料容许应力为[σ]=160.0 MPa，[τ]=95.0 MPa。根据《水利水电工程钢闸门设计规范》[7]的规定，对于大中型工作闸门和重要的事故闸门，容许应力应再乘以一个调整系数0.9～0.95。选取调整系数0.95，修正后的容许应力[σ]′=160×0.95=152.0 MPa，[τ]′=95.0×0.95=90.25 MPa。

组合梁中受较大正应力和剪应力同时作用的地方，除评判正应力和剪应力是否在容许应力内外，还应评判此处的折算应力σzh是否也在相应的容许应力内，σzh大小按公式(2)计算：

σzh1.1[σ]′=1.1×152.0=167.2 MPa

(2)

式中：

[σ]′——调整后的容许应力大小。

综上所述，闸门应力强度评判标准见表3。

表3 人字闸门应力强度评判标准

2.6 结果分析

船舶撞击位置主要位于闸门的下游面的主梁或纵梁的翼缘上，撞击点、主梁和纵梁的交点部位的应力相对较大，本文主要研究这些部位的应力和变形。利用ANSYS进行三维有限元分析得到以上各工况的最大应力值和位移值见表4和表5。

由表4和表5可知，工况1为最不利工况。工况1各方向的应力和位移计算结果见图4～图15。

表4 各工况下闸门主梁的最大应力值 MPa

表5 各工况下闸门纵梁的最大应力和位移值 MPa,mm

上述8个计算工况中，不利工况均为撞击发生在两主梁之间的纵梁上，即当船舶撞击闸门纵梁的后翼缘跨中处时，闸门容易遭到破坏，且船舶撞击对结构引起的不利影响随着撞击角度的减小而增加，即撞击角度越小，闸门的应力和变形就越大，闸门越容易遭到破坏；当撞击点在主、纵梁的下游连接处时，闸门遭到破坏的可能性较小。

3 带有防撞装置的人字闸门模型建立与计算

闸门防撞装置采用橡胶合金护木结构，选定橡胶合金护木的几何尺寸为宽300 mm、高80 mm、最大长度2.0 m、孔径为Ф80 mm的半圆体[10]。为简化分析，现将防撞装置安装在3#、4#主梁及其之间的纵梁上，选用最不利工况1进行分析。防撞装置采用Solid186划分网格[11-12]，装有防撞装置的人字闸门三维有限元模型如图16所示。

图16 装有防撞装置的人字闸门三维有限元模型示意

工况1情况下，安装防撞装置后，人字门受撞击后主梁和纵梁的最大应力值和位移值见表6，三维有限元计算结果见图17～图28。

表6 安装防撞装置后闸门最大应力和位移值 MPa，mm

最不利工况(工况1)下，防撞装置安装前后的船闸人字门受撞击后主梁和纵梁的最大应力值、最大位移值的比较结果见表7和表8。通过比较可知，在闸门遭受撞击后，安装橡胶合金护木防撞装置可以使闸门减轻或免遭破坏。

表7 防撞装置安装前后主梁最大应力值 MPa

表8 防撞装置安装前后纵梁最大应力和最大位移值 MPa，mm

4 结语

本文利用ANSYS瞬态分析功能对未安装防撞装置的人字闸门进行计算分析，主要得到了各工况下闸门主梁、纵梁和面板的位移和应力；建立了装有防撞装置的人字闸门非线性耦合计算模型，利用最不利工况进行分析计算，并将结果与安装防撞装置前的计算结果进行比较，得出橡胶合金护木防撞装置具有较好的消能能力，安装后闸门受撞部位的最大应力和位移都有显著下降，能有效减轻或避免闸门因撞击而产生的破坏，可为人字闸门动力分析及防撞装置研究提供参考。