滾動型平面鋼閘門三維有限元分析

劉麗

（遼寧省水利工程建設質量與安全監(jiān)督中心站，遼寧沈陽 110003）

1 概述

鋼閘門是水利工程中一種典型的金屬結構，起到關閉、開啟或局部開機水工建筑物過水口的作用。滾動型平面鋼閘門是鋼閘門中常見的一種型式，其閘門門葉支承部分為滾動支承。滾動支承是裝在門葉邊梁上的輪子，其在門槽軌道上作滾動摩擦運動，滾輪支承摩擦阻力小，因此所需的閘門啟門力也小。閘門門葉結構包括面板、主梁、次梁、縱梁、邊梁和滾輪等構件，在設計制造和安裝前需對鋼閘門主要構件的受力特性進行計算分析。

《水利水電工程鋼閘門設計規(guī)范》[1]中規(guī)定，平面鋼閘門應按平面結構體系進行設計，將鋼閘門拆分成單獨的構件，同時主要構件采用桿件、剛架、梁等平面系統和板殼模型進行計算，不能準確描述各構件間的聯系和鋼閘門空間受力的實際情況[2]。有限元方法是一種應用廣泛且高效實用的數值計算方法，在結構工程強度分析計算領域中優(yōu)勢明顯，近年來采用有限元方法對鋼閘門進行計算模擬的研究日漸增多[3-12]，在計算構件應力、應變方面取得一定成果。但目前該領域的研究在對鋼閘門進行模擬時大部分對其進行一定簡化，使計算成果不能完全客觀地體現工程實際。尤其是在對滾動型平面鋼閘門模擬時，相關研究為簡化模型將其滾輪結構刪除，同時將原來滾輪與滑道的線接觸改為邊梁與滑道的面接觸，使得鋼閘門整體的受力情況發(fā)生變化，所得計算結果偏于保守，而且在容易出現應力集中的滾輪軸與門葉固定部位未予以考慮。

ANSYS作為一種大型通用的有限元分析軟件，提供廣泛的工程仿真解決方案。在ANSYS 7.0版本開始加入了新一代協同仿真環(huán)境，在該環(huán)境下可以實現幾何建模、網格劃分、模型計算和數據處理功能等功能，實現前后處理和求解計算的集成，對工程實際仿真模擬高效便捷。本文以某水利工程滾動型平面鋼閘門為例，對其主要構件進行強度和剛度校核，并對滾輪結構進行精細模擬，為鋼閘門的安全檢測和評價提供參考依據。

2 幾何建模

滾動型平面鋼閘門寬6.210 m、高5.200 m，閘門作用水頭3 m。鋼閘門的梁系結構采用同一層布置，主橫梁采用工字梁形式，前翼板與面板焊接，自下至上依次編號為1～4號；橫向次梁采用槽鋼18號a，自下至上依次編號為1～6號；邊梁采用T字梁形式，腹板與面板焊接，豎向次梁自左至右依次編號為1～7號；滾輪由于結構模型和受力的對稱性，只對左側滾輪進行研究，自下而上依次編號1號、2號。所建立的三維模型以及滾輪細部模型如圖1、圖2所示。

3 網格劃分及荷載約束布置

圖1 三維實體建模

圖2 滾輪細部模型

通常對鋼閘門仿真分析的單元類型選擇時有2種：一種是三維片體有限元模型，使用shell63單元體，優(yōu)點是計算量較小，缺點是無法體現細節(jié)部分的受力情況；一種是三維實體有限元模型，使用solid45單元體，優(yōu)點是模型細節(jié)體現較好，缺點計算量較大，適合計算復雜空間幾何體。為提高分析精度，該閘門仿真分析選擇三維實體有限元模型，采用solid45單元體。在網格劃分過程中，考慮網格劃分效率，對形體簡單的構件使用掃掠網格劃分，對由多個形體簡單部分組成的構件采用多域掃掠型網格劃分，對形體復雜的構件采用自動網格劃分。有限元網格劃分單元數40 628，節(jié)點數295 481。

在材料屬性取值上，根據鋼閘門主要構件的材料為Q235A普通低碳鋼，材料彈性模量取E=2.06×1011Pa，泊松比取 μ =0.30，容重取 γ =78.5 kN/m3；滾輪結構采用ZG270-500中碳鑄鋼，材料彈性模量取 E=2.02×1011Pa，泊松比取 μ=0.30，容重取容重取γ=78.5 kN/m3。

荷載約束根據實際工況進行布置：計算荷載主要考慮作用于鋼閘門自重和靜水壓力，靜水壓力作用于鋼閘門面板側；鋼閘門底部受垂向（z方向）約束，鋼閘門因滑道的作用在滾輪與滑道接觸處受水流方向（y方向）的約束。

4 計算結果分析

4.1 強度校核

根據鋼閘門設計規(guī)范[1]，鋼材的容許應力由鋼材的厚度決定，由于閘門主要構件厚度均小于等于16 mm，屬于Q235碳素結構鋼中第一組，屈服強度[σ]=235 MPa。對于大中型工程的鋼閘門，應在原容許應力基礎上乘以調整系數0.90～0.95，對于該工程取用0.90，所以調整后的容許應力為[σ] ′=0.90×235 MPa=211.5 MPa。滾輪結構采用ZG270-500中碳鑄鋼，屈服強度[σ]=270 MPa。經計算所得的鋼閘門整體受力如圖3所示。

圖3 鋼閘門整體受力云圖

1）面板

由面板背水側等效應力云圖可知，在設計水位工況下，面板最大等效應力為27.2 MPa，出現在面板背水側1號主梁與4號豎向次梁連接處。面板的最大等效應力小于Q235鋼的屈服強度，面板強度滿足要求。

2）主橫梁

由主橫梁等效應力云圖可知，在設計水位工況下，主橫梁的最大等效應力為53.5 MPa，出現在1號主橫梁后翼緣跨中處。所有主橫梁的最大等效應力均小于材料的屈服強度，主橫梁強度滿足要求。

3）橫向次梁

由橫向次梁等效應力云圖可知，在設計水位工況下，橫向次梁的最大等效應力為31.1 MPa，出現在1號橫向次梁前翼緣跨中處。橫向次梁的最大等效應力均小于材料的屈服強度，橫向次梁強度滿足要求。

4）縱梁

由縱梁等效應力云圖可知，在設計水位工況下，縱梁的最大等效應力為75.1MPa，出現在1號滾輪滾軸末端與1號縱梁（邊梁）接觸處?？v梁的最大等效應力小于材料的屈服強度，縱梁強度滿足要求。

5）滾輪

由滾輪等效應力云圖可知，在設計水位工況下，滾輪的最大等效應力為75.1 MPa，出現在1號滾輪滾軸末端與1號縱梁（邊梁）接觸處。滾輪的最大等效應力小于材料的屈服強度，滾輪強度滿足要求。

4.2 剛度校核

對于主橫梁、橫向次梁等受彎構件，對總體撓度計算結果進行剛度校核。根據《水利水電工程金屬結構報廢標準》[13]規(guī)定，對于露頂式鋼閘門，橫梁的最大變形與計算跨度的比值不應超過1/600。該閘門主橫梁、橫向次梁計算跨度分別取5.910 m和6.094 m，可知主橫梁、橫向次梁的最大變形容許值為9.85 mm和10.16 mm。

1）主橫梁

各主橫梁最大變形值如圖4所示。主橫梁的變形量大致從下至上逐步減小，主橫梁最大變形為3.01 mm，小于變形容許值9.85 mm，閘門主橫梁的剛度滿足要求。

圖4 各主橫梁最大變形值

2）橫向次梁

各橫向次梁最大變形值如圖5所示。橫向次梁的變形值從1號次梁至5號次梁依次減小，在6號次梁處出現反向彎曲現象。橫向次梁最大變形為3.29 mm，小于變形容許值10.16 mm，閘門橫向次梁的剛度滿足要求。

圖5 各橫向次梁最大總體撓度值

5 結語

文中所建立的滾動型鋼閘門模型，考慮滾輪支承結構對鋼閘門受力特性的影響，較為真實地反映鋼閘門實際的空間受力情況。本文基于ANSYS對滾動型平面鋼閘門進行三維有限元分析，對鋼閘門主要構件進行強度和剛度校核，并對鋼閘門滾輪結構進行精細模擬。計算結果顯示，滾動型鋼閘門主要構件滿足材料強度、剛度要求，但在滾輪軸與門葉連接部位存在應力集中現象，在設計和制造過程中應予以重視。

結果表明基于ANSYS三維有限元分析適合對大中型水利工程的鋼閘門進行強度、剛度復核，計算成果對鋼閘門的設計、后期安全評價有一定的指導意義。