弧形工作闸门三维静动力有限元分析

◎ 顾富星 岳桃丽

1.广东中灏勘察设计咨询有限公司；2.肇庆市财政局投资评审中心

1.引言

弧形工作闸门是一种常见的水利工程设施，广泛应用于水电站、水库和船闸等场所。其主要功能是控制水流的通断和水位的调节[1]。在正常运行条件下，弧形工作闸门需要承受来自水压力、风压力以及地震等外部荷载的作用。因此，对于弧形工作闸门的结构稳定性和动态响应进行准确的分析和评估具有重要意义。本文旨在通过三维静动力有限元分析方法，研究弧形工作闸门在不同工况下的结构响应和动态特性。通过对这些参数的分析和评估，判断弧形工作闸门是否满足设计要求，提高其结构的安全性和可靠性。

2.弧形工作闸门概述

2.1 弧形工作闸门的设计原理

弧形闸门（radial gate）是一种具有圆柱体形状的闸门，其挡水面为部分弧形面。该闸门的支臂通过支承铰位于圆心，启闭时闸门绕支承铰点旋转[2]。弧形闸门由转动门体、埋设构件及启闭设备三部分组成。相比其他类型的闸门，弧形闸门不需要门槽，因此启闭力较小且水力学条件更加优越。因此，在各种水道工程中，弧形闸门被广泛应用作为工作闸门。

2.2 存在的问题和挑战

弧形工作闸门三维静动力分析面临以下一些问题和挑战：

2.2.1复杂的几何形状

弧形工作闸门通常具有复杂的几何形状，包括曲线、弧形和斜面等。这增加了建模和网格划分的难度，需要精确地捕捉结构的几何细节。

2.2.2材料非线性

闸门的材料行为通常是非线性的，这是因为在实际应用中，闸门材料的行为受到多种因素的影响，包括温度、应力和时间等。在这些因素的作用下，闸门材料的物理性质会发生变化，导致其行为呈现非线性特征。因此，在分析中需要考虑材料的非线性特性，如弹性－塑性行为、非线性的应力－应变关系等，对于准确预测结构的响应至关重要。

2.2.3边界条件和加载情况

在分析中准确设置边界条件和加载情况是关键。考虑到闸门的实际工作环境和荷载特点，如水压力、风压力等，需要对边界条件和加载进行合理的假设和模拟。

2.2.4模型验证和参数校准

为了保证分析结果的准确性和可靠性，需要对建立的有限元模型进行验证，并校准模型中的参数。这可能需要依靠实测数据和现场观测结果，以确保模型与实际情况的吻合度。

面对这些问题和挑战，需要综合运用工程经验、理论知识和计算方法，采取合理的分析策略和技术手段，以确保弧形工作闸门的安全可靠性和工程性能。

3.弧形工作闸门有限元模型

3.1 闸门总体布置

丫河水库位于红河的一级支流排沙河的上游，全长为28.2km，总集水面积为144.8km2。在元阳县境内，由于蓄水工程的不足，大量水资源（约95%）尚未得到开发利用。为了增强元阳县的自然灾害防御能力，并更好地利用丰富的水资源，计划在该县修建丫河水库。本次改造工程主要关注丫河水库的泄洪输水隧洞工作段的弧形工作闸门。这种闸门属于深孔闸门，前方水头高达95m。为了减少水流对闸门区域的冲刷和侵蚀，采用了突跌、突扩式的门槽设计，有利于掺气和减少蚀刻。门槽区的总宽度为4.3m，纵向长度为2.6m。闸门孔口的高度为2.5m，有效宽度为2.5m。整个闸门的总宽度为3.5m，半径为5.5m。由于闸门所处位置的水头较高，闸门孔口处的水流流态较为复杂，存在可能引起闸门振动的问题。因此，需要进行闸门流激振动模型试验以及三维静动力有限元分析，以确保闸门的稳定性和安全性。

3.2 建立有限元模型

（1）模型的导入。原模型闸门采用上下箱式双主梁设计，支臂采用组合式工字梁A型设计，两支臂之间施加了横向拉杆（槽钢25），见图1。

图1 工作闸门原方案设计几何模型

根据闸门实际结构建立有限元模型，并进行网格划分。根据有限元建模与网格划分的情况，闸门整体结构质量20.4t；划分单元989561个实体单元，节点数289056个，网格尺寸0.03m，能够精细地模拟闸门结构的应力、位移以及局部应力特征。

工作闸门三维有限元分析施加的约束条件，模拟闸门全关时的力学特性：支座处仅释放切向的约束，径向、轴向固定；闸门底缘采用支撑约束条件，控制闸门上下的运动。荷载的施加：荷载主要是静水压力和闸门自重，见图2。

图3 优化方案C闸门整体变形云图

（2）单元体选择。闸门仿真分析可以通过两种方法来实现。首先是使用三维实体有限元模型，其中采用solid186单元体。这种方法的优点是能够很好地呈现模型的细节，但计算量较大，适用于计算复杂的空间几何体[3]。另一种方法是使用三维片体有限元模型，其中采用shell63单元体。这种方法的优点是计算量较小，但无法准确体现焊接等细节部分。为了提高分析精度，本次闸门仿真分析选择了solid186单元体，确保对闸门的分析结果更加准确和可靠。

（3）结构尺寸及材料特性

根据《水利水电工程金属结构报废标准》SL226-98的要求，我们需要对闸门的运行状况进行评估。闸门的结构材料是Q235，其抗压应力为160MPa。在计算过程中，我们可以采用弹性模量E=2.06×10MPa和泊松比u=0.3。在计算过程中，可采用以下公式来计算应力：

σ=F/A

其中，式中，F为材料破坏时的最大荷载，N；A为试件的受力面积，mm2。（根据标准要求，折减系数为1时，可不进行折减处理）。

3.3 闸门构建材料参数

弧形工作闸门的构建材料参数通常包括以下几个方面：

3.3.1混凝土材料参数

1）强度特性：包括混凝土的抗压强度、抗拉强度和剪切强度等。

2）弹性模量：描述混凝土在受力时的变形特性。

3）泊松比：表示混凝土在受力时的体积变化情况。

3.3.2钢材料参数

1）强度特性：包括钢材的屈服强度、抗拉强度和屈服应变等。

2）弹性模量：描述钢材在受力时的变形特性。

3）泊松比：表示钢材在受力时的体积变化情况。

3.3.3其他材料参数

如果闸门中包含橡胶密封条或其他聚合物材料，需要考虑其弹性特性和耐久性等参数。

这些材料参数的具体数值可以通过实验测试或相关标准规范获得。在有限元分析中，将准确的材料参数引入模型是保证分析结果准确性和可靠性的重要因素。因此，为了获得精确的分析结果，需确保实际闸门材料参数与实际情况相匹配。

3.4 原模型计算及结果

闸门静力有限元计算的成果，包括闸门整体变形以及主体结构的变形与应力分布。闸门最大位移出现在闸门底部3.4mm，次最大位移出现在闸门中部，闸门变形满足规范中对潜孔主梁挠度要求的标准；最大应力出现在纵梁与次梁相交的位置，由于次梁与纵梁之间的相对变形，引起了很大的局部应力，达到480MPa；对于支臂而言，上支臂应力、位移远小于下支臂，支臂处最大应力出现在支臂与主梁相接处附近，最大值达到237MPa；对于主梁整体应力不大，最大值出现在下主梁与纵梁相接的位置，最大126MPa；而面板出现局部应力，纵梁与面板相连处，应力值达到297MPa，其余部分应力较小100MPa以内；次梁受面板变形影响，变形较大，应力普遍较大，尤其是中部四根次梁，应力较大而且区域分布广，最大出现在与纵梁相接位置的附近（由于挤压而产生），最大应力达到180MPa；边梁应力在136MPa内，最大出现在底缘。

整体而言，闸门主体结构变形满足现行设计规范的要求，现有结构止水预压量能够满足止水的要求；应力局部偏大，超过规范的要求，而且结构之间由于刚度分布等原因，变形不一致而引起超大的局部应力。因而控制不同结构之间的相对变形，即次梁与纵梁间的相对变形，是结构整体优化的方向之一。另外闸门上下支臂应力差距较大，将应力更均匀地布置于上下支臂间，可以有效地降低支臂的应力，这一点也是原方案闸门优化的一个方向。

3.5 原模型计算问题及解决措施

3.5.1方案修改

经过以上分析计算，原方案设计中存在的主要问题是：①闸门局部挤压应力过大，考虑到门体动水荷载的影响，闸门整体结构的安全性需要进一步提高；②闸门上下支臂、位移、应力相差较大，分布不均匀，下支臂应力偏大，需要进一步提高支臂的强度。针对以上两点问题，提出以下三种优化方案，针对这三种修改方案，分别进行三维有限元数值模拟，以验证修改方案的可行性。

优化方案A：将原方案中工字型支臂修改为箱型支臂，提高支臂的刚度，减小支臂变形、应力。

优化方案B：在方案A的基础上，在两主梁之间增加一道工字梁，控制次梁与纵梁之间的相对位移，期望减小闸门的局部应力。

优化方案C：在方案B的基础上，支臂增加一道斜支撑，实现工字型主梁控制次梁与纵梁间变形的作用。

3.5.2优化方案数值分析结果

三维有限元分析的方法与原方案计算、分析方法一致。结果见表1。

表1 各方案闸门应力分析结果对比表

3.5.3优化方案效果

根据有限元分析计算结果，方案A解决了闸门支臂的局部应力问题以及上下支臂应力分布不均匀问题，但是闸门局部应力仍然很大；方案B减小了闸门局部应力但没有消除局部应力超大的现象，而且并没有解决闸门上下支臂应力分布不均匀的现象；方案C解决了闸门局部应力过大的问题，保证局部挤压应力满足规范设计要求；闸门上下支臂应力分布更为均匀，减小了支臂的应力与位移。通过三维有限元分析，方案C能够满足规范设计要求。

综上所述，最终的合理优化方案C，同时提高了支臂的刚度，实现工字型主梁对次梁与纵梁之间变形的控制，进一步降低闸门的局部应力，同时满足闸门变形、应力等指标的规范设计要求。

4.结论

通过对弧形工作闸门的方案优化，得到了结构的静力特性、动力特性的相关信息，得出结论如下：

首先，在静力方面，分析结构的刚度、变形情况和应力分布等。通过分析这些特性，可以确定弧形工作闸门在静态负荷下的性能；其次，在动力方面，分析结构的固有频率、振型和与外部激励的响应，可以确定弧形工作闸门在动态负荷下的性能；最后，根据静力和动力特性的分析结果，可以综合考虑弧形工作闸门的优缺点，并得出一个结论。这个结论应该能够评估该闸门在静态和动态负荷下的性能，并确定其是否满足设计要求和安全标准。