ANSYS Workbench在水工鑄鐵閘門三維有限元分析中的應(yīng)用

(遼寧江河水利水電新技術(shù)設(shè)計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110003)

1 概 述

鑄鐵閘門是水利工程中一種典型的金屬結(jié)構(gòu)，起到關(guān)閉、開啟或局部開啟水工建筑物過水通道的作用。與鋼結(jié)構(gòu)閘門相比，鑄鐵閘門具有良好的耐腐蝕、安裝簡單、使用壽命長、日常維護簡單等優(yōu)點，適用于渠系涵閘、排灌泵站等建筑物的小型閘門和孔口尺寸較小的水庫涵洞閘門等中小型水利工程[1]。

水利工程安全評價中，水工閘門等金屬結(jié)構(gòu)的受力分析是重要的一個環(huán)節(jié)。由于使用鑄鐵閘門的水利工程規(guī)模通常較小，其受力分析往往被忽略。有的水利工程管理部門檢測維護，多采用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測方法如電測方法，在對鑄鐵閘門進行應(yīng)力檢測時，也常面臨由于閘門尺寸較小、變形較小而導(dǎo)致現(xiàn)場無法布點檢測或數(shù)據(jù)分析時偏差較大等問題。

目前，有限元方法發(fā)展日趨成熟，在工程模擬仿真領(lǐng)域應(yīng)用愈發(fā)廣泛，其高效簡潔的特點與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測方法相比優(yōu)勢明顯，在水利工程安全評價領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用[2-6]。

ANSYS Workbench是ANSYS公司推出的新一代協(xié)同仿真有限元分析軟件，該軟件對于底層功能進行集成，可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)建模、材料定義、網(wǎng)格劃分和數(shù)據(jù)處理輸出等功能，界面友好易學(xué)，方便工程技術(shù)人員快速掌握應(yīng)用。本文應(yīng)用ANSYS Workbench對水利工程平面拱形鑄鐵閘門進行三維有限元分析，對其主要構(gòu)件進行強度和剛度校核，為鑄鐵閘門的安全檢測和評價提供參考。

2 計算模型及參數(shù)

2.1 工程概況

南河沿排灌站位于大洼縣東風(fēng)鎮(zhèn)境內(nèi)，大遼河右岸，距大遼河河口32.8km，處于渤海灣感潮段，是大洼灌區(qū)一座歷史較長的大型排灌兩用泵站。南河沿排灌站規(guī)模為中型，該站等別為Ⅱ等，主要建筑物級別為2級，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇；地震基本烈度為Ⅷ度。本次有限元分析的對象為該水利工程引渠的平面拱形鑄鐵閘門。

2.2 單元劃分

閘門為平面拱形鑄鐵閘門，設(shè)計尺寸為2.10m(寬)×3.10m(高)，根據(jù)現(xiàn)場實測閘門尺寸，建立閘門三維模型(見圖1)。坐標(biāo)系定義為：x軸沿橫梁軸向，y軸沿閘門對稱軸垂直向上，z軸沿逆水流方向指向閘門上游。采用國際單位制，應(yīng)力單位為Pa，位移單位為m。橫梁自下而上依次編號為1號、2號、3號、4號、5號和6號，縱梁從上至下、從右向左依次編號為1號、2號、3號、4號和5號，面板自下而上依次編號為1號、2號和3號。

圖1 三維實體建模

定義結(jié)構(gòu)三維實體數(shù)值模擬的單元類型可分為兩種：一種是使用shell63單元體的三維片體有限元模型，具有計算量較小的優(yōu)點，但是無法體現(xiàn)結(jié)構(gòu)細節(jié)部分的受力情況；另外一種是使用solid45單元體的三維實體有限元模型，具有模型細節(jié)體現(xiàn)較好的優(yōu)點，但計算量較大。

根據(jù)鑄鐵閘門受力特點，考慮計算精度要求，本閘門仿真分析選擇三維實體有限元模型，采用solid45單元體。為了大幅度提高網(wǎng)格劃分效率，同時采用三種網(wǎng)格劃分方法：一是使用掃掠網(wǎng)格對形體簡單的構(gòu)件進行劃分，二是采用多域掃掠型網(wǎng)格對由多個形體簡單部分組成的構(gòu)件進行劃分，三是采用自動網(wǎng)格對形體復(fù)雜的構(gòu)件進行劃分，網(wǎng)格劃分結(jié)果見圖2。計算模型單元總數(shù)為15261個，節(jié)點總數(shù)為95262個。

圖2 鋼閘門有限元模型

2.3 材料特性與約束情況

閘門各構(gòu)件的外形尺寸(包括構(gòu)件厚度)均按實際測量取值。

閘門主要構(gòu)件的材料為HT200(灰鑄鐵)，材料的彈性模量取E=1.5×105MPa，泊松比取μ=0.25，重度γ=72.5kN/m3。

閘門底部受垂直向(y向)約束，因門槽的作用，閘門在支撐處受順?biāo)鞣较?z向)約束。

2.4 計算荷載和計算工況

計算荷載主要考慮作用于閘門的靜水壓力和閘門自重。

計算工況為：極限水位情況下閘門作用水頭8.34m，閘門下游無水。

3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算結(jié)果與分析

3.1 強度評判標(biāo)準(zhǔn)

閘門主要構(gòu)件材料為HT200(灰鑄鐵)。對于閘門結(jié)構(gòu)進行強度校核時，應(yīng)首先確定材料的容許應(yīng)力。根據(jù)《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》(SL 74—2013)[7]5.2.3中關(guān)于灰鑄鐵件容許應(yīng)力的規(guī)定，HT200牌號灰鑄鐵軸心抗壓和彎曲抗壓應(yīng)力容許值為[σt]=150MPa，抗剪容許應(yīng)力為[τ]=35MPa。

根據(jù)《水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)報廢標(biāo)準(zhǔn)》(SL 226—1998)[8]的規(guī)定，對于大中型工程的閘門，材料的容許應(yīng)力應(yīng)乘以0.90～0.95的使用年限修正系數(shù)(該工程各閘門使用年限短，取0.95)，故閘門主要構(gòu)件的材料容許應(yīng)力為[σ]′ =0.95×150MPa= 142.5MPa，[τ]′=0.95×35MPa= 33.25MPa。

3.2 應(yīng)力計算結(jié)果與分析

3.2.1 面板

在閘門極限水位下，面板最大正應(yīng)力為117.75MPa，出現(xiàn)在面板背水側(cè)6號橫梁與面板連接處(見圖3)。

圖3 面板背水側(cè)正應(yīng)力云圖

在閘門極限水位下，面板最大剪應(yīng)力為29MPa，出現(xiàn)在面板背水側(cè)5號橫梁與面板連接處(見圖4)。

圖4 面板背水側(cè)剪應(yīng)力云圖

面板最大正應(yīng)力、最大剪應(yīng)力均小于材料的容許正應(yīng)力和容許剪應(yīng)力，因此面板強度滿足要求。

3.2.2 橫梁

在閘門極限水位下，6根主橫梁最大正應(yīng)力為12.368MPa，出現(xiàn)在6號橫梁與面板連接處(見圖5)。

圖5 橫梁正應(yīng)力云圖

在閘門極限水位下，橫梁最大剪應(yīng)力為29MPa，出現(xiàn)在6號橫梁與面板連接處(見圖6)。

圖6 橫梁剪應(yīng)力云圖

橫梁最大正應(yīng)力、最大剪應(yīng)力均小于材料的容許正應(yīng)力和容許剪應(yīng)力，因此橫梁強度滿足要求。

3.2.3 縱梁

在閘門極限水位下，5根縱梁最大正應(yīng)力10.419MPa，出現(xiàn)在4號縱梁與5號橫梁連接處(見圖7)。

圖7 縱梁正應(yīng)力云圖

在閘門極限水位下，縱梁最大剪應(yīng)力為2.939MPa，出現(xiàn)在5號縱梁與6號橫梁連接處(見圖8)。

圖8 縱梁剪應(yīng)力云圖

橫梁最大正應(yīng)力、最大剪應(yīng)力均小于材料的容許正應(yīng)力和容許剪應(yīng)力，因此橫梁強度滿足要求。

3.3 剛度計算結(jié)果與分析

對于受彎構(gòu)件，應(yīng)根據(jù)撓度計算結(jié)果進行剛度校核。根據(jù)《鑄鐵閘門技術(shù)條件》(SL 545—2001)[9]的規(guī)定，門板撓度應(yīng)不大于構(gòu)件長度的1/1500。門板、橫梁實測長度2.57m，允許撓度值為1.713mm。在極限水位下，閘門面板最大撓度1.592mm，橫梁的最大撓度值1.592mm，均滿足剛度要求(見圖9)。

圖9 閘門總體撓度云圖

4 結(jié) 論

本文基于ANSYS Workbench對鑄鐵閘門進行三維有限元分析，對閘門的主要構(gòu)件進行強度和剛度校核。計算結(jié)果顯示，鑄鐵閘門主要構(gòu)件滿足材料強度、剛度要求。結(jié)果表明：基于ANSYS Workbench三維有限元分析適合對中小型水利工程的鑄鐵閘門進行強度、剛度復(fù)核，計算成果對鑄鐵閘門的設(shè)計、后期安全評價有一定的指導(dǎo)意義。