鑄鐵閘門水平主梁應力的三維和平面計算分析比較

吳開慶，胡友安

（河海大學機械工程學院，常州，213022）

0 引言

在給排水工程、市政工程、農田水利工程中，目前廣泛使用的鑄鐵閘門，該類型閘門主要有平板高筋型和后拱型內筋型兩種結構形式。其主梁的設計計算通常是根據(jù)《水利水電工程鋼閘門設計規(guī)范》（以下簡稱《規(guī)范》），按平面假設進行計算。主梁應力的平面計算對梁的荷載和約束等進行了簡化，其計算與主梁的實際情況有較大差異。以某工程鑄鐵閘門為例，采用按《規(guī)范》的平面假設計算，再用三維有限元方法計算水平主梁應力。比較分析兩種計算結果，為鑄鐵閘門水平主梁應力的計算提供參考有較大的意義。

1 平面鋼閘門水平主梁應力計算方法

某矩形平板高筋型鑄鐵閘門尺寸為2.0m×2.5m(寬×高)，結構圖如圖1 所示。閘門承受最大工作正向水頭為10m,潛孔閘門，鑄鐵材料牌號為QT450-10。

根據(jù)閘門水頭分別計算得水平主梁一、二、三、四承受的均布荷載線密度q 分別為47.5kN/m，45kN/m，42.5kN/m，40kN/m。

1.1 荷載與內力計算

水平主梁彎曲時邊跨跨中彎矩

圖1 矩形平板高筋型鑄鐵閘門結構圖(單位：mm)

1.2 組合截面計算

組合截面形心到水平主梁中心線的距離：

跨中組合的截面的慣性矩及截面模量為：

組合截面形心到水平主梁中心線的距離：

跨中組合的截面的慣性矩及截面模量為：

圖3 面板參加水平主梁工作后的組合截面(單位：mm)

1.3 水平主梁的強度檢驗

由于支座B 處彎矩最大，而截面模量最小，故只需驗算支座B 處截面的抗彎強度，即：

用如上同樣計算方法，可計算出中間四根水平主梁中其余三根的抗彎強度分別為5.06 N/mm2,5.38N/mm2，5.70 N/mm2。

2 三維有限元計算方法

2.1 建立有限元模型

用三維有限元方法計算時，我們采用大型有限元分析軟件ANSYS 來進行分析計算。該軟件具有前后處理功能理想、計算簡便、運算精度高等優(yōu)點。球墨鑄鐵彈性模量E 取150Gpa，泊松比取0.3，密度取7.3g/cm3。在建立有限元模型時閘門面板、各水平主梁、縱隔板、邊梁內側采用SHELL63 單元，邊梁外側位于門槽內的部分采用SOLID95 單元。最后的有限元網格模型如圖4 所示，整個模型中包含17141個單元，共19567個節(jié)點。根據(jù)鑄鐵閘門實際工況在底主梁上施加高度方向的位移約束，在邊梁與門槽接觸的部位施加水平方向的位移約束。由于此閘門為潛孔閘門，所以計算時只考慮靜水壓力。

2.2 水平主梁應力

由圖4 可知，四個水平主梁的應力最大處都是出現(xiàn)在靠近中間隔板的兩個跨度處，四個水平主梁的最大應力從下到上依次為47 .6 N/mm2,51.7 N/mm2,49.9 N/mm2,41.6 N/mm2。

圖5 閘門各水平主梁應力圖

3 兩種方法比較分析

把上面用《規(guī)范》計算水平主梁應力的計算方法計算鑄鐵閘門的結果和有限元軟件ANSYS 計算的結果進行比較，可以發(fā)現(xiàn)兩種計算方法計算結果的不同主要在以下幾個方面：

a)對于同一根水平主梁，兩種計算方法計算的結果有很大差距。

b)兩種計算方法隨著水平主梁的變化，各自最大應力計算結果的變化不同，前一種計算方法位置處于下方的水平主梁所受的應力強度比位置處于上方的水平主梁所受的應力強度高，而后一種方法則中間的兩根水平主梁所受的應力強度比最上面和最下面的水平主梁所受的應力強度高。

c)兩種計算方法計算出的結果最大應力所處的位置不同，前一種計算方法水平主梁所受最大應力位于節(jié)點B、D 處，后一種計算方法水平主梁所受最大應力位于中間兩個跨度靠近中間隔板的位置。

造成這種差距主要有以下幾點原因：

1)用《規(guī)范》計算水平主梁應力的計算方法適用于面板為薄壁的狀況，而鑄鐵閘門面板并非薄壁件。

2)用《規(guī)范》方法計算水平主梁應力時，水平主梁為支點沒有位移的多跨連續(xù)梁，但實際工況中，作為支點的縱隔板是存在位移的。

3)用《規(guī)范》方法計算時，其計算方法其實假設了與水平主梁相聯(lián)的上、下各半個區(qū)間面板水壓全部由水平主梁和參加水平主梁工作的面板所承擔。這種計算方法其實忽略了鑄鐵閘門是一個各部分存在著相互作用的整體，也沒有考慮閘門邊梁對計算結果的影響。

4)約束條件的影響，鑄鐵閘門下部的位移約束使位于閘門下部的水平主梁應力相對減小。

鑄鐵閘門是由一系列面板、隔板、梁等組成的整體，而且其面板具有一定厚度。閘門工作時，所承受的荷載將通過各構件的相互傳遞來共同承擔。所以，鑄鐵閘門水平主梁應力的計算方法必須考慮到閘門的整體作用以及各構件的實際工作狀態(tài)。因此，對于鑄鐵閘門水平主梁應力的計算建議采用有限元方法。

4 結論

對鑄鐵閘門水平主梁應力用平面鋼閘門計算水平主梁應力的方法進行計算作了詳細的說明；并用ANSYS 軟件建立了鑄鐵閘門門體的模型，對其進行了網格劃分。對兩種計算方法計算的結果進行了比較，結果表明對鑄鐵閘門水平主梁應力根據(jù)《水利水電工程鋼閘門設計規(guī)范》進行計算是不精確的，而用三維有限元計算方法能比較準確的反應水平主梁的受力情況。

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