基于靜水(冰)壓力的閘門構(gòu)造靜力模擬與實(shí)驗(yàn)分析探究

夏愛民

(江西省水利水電建設(shè)有限公司，南昌 330200)

水工閘門扼守沖水要隘，具有舉足輕重的技術(shù)和安全意義。本研究參考某山樞紐工程泄洪閘案例，以模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)分析的方式，分析探討靜水(冰)壓力下閘門構(gòu)造的靜力學(xué)承力和工學(xué)狀態(tài)，以期為同類閘門工程設(shè)計(jì)和建造應(yīng)用提供參考，助力建設(shè)適用牢固的水工閘門工程。

1 案例閘門構(gòu)造簡述

某山樞紐工程共有38孔泄洪閘，其中右岸有10孔，左岸有28孔，每孔寬度20 m。斜支臂表孔弧形為閘門主要方式，其弧形曲率半徑R為13 m，主體焊接而成，由雙主橫梁、斜支臂提供支撐。支鉸內(nèi)置自潤滑球面軸承且構(gòu)造為球面鉸。液壓啟閉機(jī)與閘門相接連的吊耳設(shè)在下主橫梁與邊梁相交部位的后翼上。閘門前設(shè)置一道檢修閘門用來檢修與維護(hù)。左側(cè)28孔泄控水閘門則由2×1 600 kN液壓啟閉機(jī)操控，液壓2×2 000 kN啟閉機(jī)則用來操控右側(cè)10孔泄控水閘門。閘門的各項(xiàng)參數(shù)及主要特點(diǎn)具體見表1。

表1 閘門的各項(xiàng)參數(shù)及主要特點(diǎn)

案例閘門構(gòu)造狀態(tài)見圖1。

圖1案例泄控水閘門表孔斜支臂弧形閘門構(gòu)造示意圖

葉門規(guī)格：支臂支鉸中心距為18.4 m，曲率半徑為13 m，孔口高度10 m×寬度20 m，旋轉(zhuǎn)開關(guān)角度可達(dá)60°

2 建立閘門靜力模擬計(jì)算模型

2.1 閘門模擬建模

參考閘門圖紙規(guī)格，借助Solidworks軟件實(shí)施3D建模，利用ANSYS workbench導(dǎo)入?yún)?shù)進(jìn)行建模，等軸側(cè)視葉門實(shí)體模型見圖2。

圖2 等軸側(cè)視葉門實(shí)體模型

焊接縫在實(shí)體建模過程中沒有考慮。由于閘門為典型的焊接構(gòu)造，并且應(yīng)力集中出現(xiàn)在多個(gè)焊接縫中，焊接過程中改變了材質(zhì)機(jī)能，也使周圍構(gòu)造出現(xiàn)突變，此時(shí)加大了構(gòu)造靜力模擬分析難度。因此，為方便后面模擬計(jì)算及網(wǎng)絡(luò)劃分，本研究利用有限元分析模型對鋼板的倒角部分和焊接縫同時(shí)進(jìn)行簡化處理。

2.2 閘門熱力學(xué)材料參數(shù)

Q345是一種低合金鋼材，也是閘門構(gòu)造的主要材料，現(xiàn)已在特種設(shè)備、橋梁、船舶、建筑等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了廣泛應(yīng)用。其中，345代表鋼材屈服強(qiáng)度為345 MPa，Q代表屈服強(qiáng)度。熱力學(xué)低合金鋼Q345參數(shù)見表2。

表2 熱力學(xué)低合金鋼Q345參數(shù)

2.3 基于殼板構(gòu)造的殼分析網(wǎng)絡(luò)劃分

閘門各部件為典型的薄壁構(gòu)造，厚度介于6～25 mm，其主規(guī)格均在厚度值10倍以上。此種構(gòu)造的殼分析可利用ANSYS workbench軟件完成，殼體可用Shelll81來模擬。提取各部件的中面，各薄板構(gòu)件均用中面模型來代替。自動劃分網(wǎng)絡(luò)，100 mm為單元規(guī)格，具體見表3。

表3 網(wǎng)絡(luò)劃分參數(shù)信息表

2.4 基于靜水(冰)靜壓力作用的邊界條件

閘門不執(zhí)行開啟增強(qiáng)動作在結(jié)冰期處在常閉狀態(tài)，因此固定約束兩個(gè)支臂的最末端，即0是所有方向的自由度。兩側(cè)有泄控水閘門固定埋件及葉門底部當(dāng)作約束及支撐，因此分別移位約束兩側(cè)及葉門底部。即Z向約束移位兩側(cè)，Y向約束移位底部。

考慮單元數(shù)量多，閘門體積大，假如建立一個(gè)模型對閘門及冰層的熱應(yīng)力與構(gòu)造靜力進(jìn)行耦合順序分析，將大幅增加計(jì)算量。為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間、提高計(jì)算效率，本研究在閘門上部1 m處施加的靜冰壓力0.118 MPa，并對閘門構(gòu)造進(jìn)行分析，由此達(dá)到減少計(jì)算量、提高運(yùn)算率的目的。這時(shí)冰層的多參數(shù)具體見表4。

表4 基于0.118 MPa靜冰壓力的冰層參數(shù)表

閘門的荷載既要考慮靜水壓力，更要考慮靜冰壓力。水位表面至閘門的底部就是冰層底面，閘門葉門承受9 m左右的水頭釋放水壓。此荷載的實(shí)現(xiàn)完全借助于ANSYSWorkbench中的流體壓力施載功能。淡水密度就是流體密度。受閘門止水影響，流體在Y向上有重力加速率，但在X向上沒有加速率，因此9 800 mm/s2為流體在Y向的加速率，具體見圖3。

圖3案例閘門實(shí)體模型荷載和約束示意圖

3 閘門應(yīng)力基于靜應(yīng)力電測法的檢測實(shí)驗(yàn)

3.1 閘門構(gòu)造強(qiáng)(剛)度的模擬結(jié)果

閘門自身的剛度及強(qiáng)度直接決定其自身的靜冰壓力承載水平。

閘門厚度值6～25 mm，材質(zhì)為Q345鋼，參考《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 74-2013)整理出與容許應(yīng)力相關(guān)的明細(xì)表，具體見表5。

表5 鋼Q345容許應(yīng)力參數(shù)

考慮主梁整體彎曲應(yīng)力及葉門長寬比影響，即便在彈塑性階段，葉門仍擁有相當(dāng)大的強(qiáng)度儲備。此種現(xiàn)象可通過容許應(yīng)力與調(diào)整常數(shù)之積來表達(dá)，公式如下：

σ≤1.1a[σ]

(1)

式中：a為彈塑性調(diào)整常數(shù)，本文中α取值1.5。

利用下式便可確定出葉門強(qiáng)度的正應(yīng)力:

σ≤1.65[σ]=371.25 MPa

(2)

設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，0.95為中大型工程中的工作閘門的調(diào)整常數(shù)值，據(jù)此可計(jì)算出該閘門的各部件容許應(yīng)力，具體見表6。

表6 基于調(diào)整常數(shù)0.95的案例閘門構(gòu)件應(yīng)力容許調(diào)整值

設(shè)計(jì)規(guī)范要求計(jì)算跨度及最大擾度需控制在評判數(shù)值以內(nèi)，由于本研究對象是典型的露頂式工作閘門，故將評判數(shù)值定義為1/600，即：

(3)

參考構(gòu)造圖紙，經(jīng)一系列計(jì)算得知，13 200 mm為主梁的計(jì)算跨度值，式(3)中帶入此值，可計(jì)算出最大擾度≤22 mm，即可將容許擾度取值為22 mm。

根據(jù)強(qiáng)度方面的判定需求，閘門構(gòu)造的彈塑性較高，所以第四強(qiáng)度理論更適用于抗彎、抗壓及抗拉方面的主應(yīng)力，即畸變能理論，也被學(xué)術(shù)界人士命名為VonMises理論，其等效應(yīng)力值σr4的表達(dá)式如下：

(4)

第一、第二、第三主應(yīng)力關(guān)系，即式中的主應(yīng)力σ1≥σ2≥σ3。因此，要基于第四強(qiáng)度理論確定出等效應(yīng)力。在抗剪上，需計(jì)算出閘門的剪應(yīng)力最大值。由理論定義進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，等效應(yīng)力就是最大剪應(yīng)力，即1/2的應(yīng)力強(qiáng)度。其等效應(yīng)力σr3的表達(dá)式如下：

σr3=|σ1-σ3|

(5)

由此可求取出剪應(yīng)力最大值，即：

(6)

在剛度上，主梁最大擾度是首要求解對象，即求取移位形變最大值。整體來看，可通過表7查詢出與模擬計(jì)算求解的所有內(nèi)容。

由表7可知，利用第四和第三強(qiáng)度理論，可分別計(jì)算出縱梁、主梁、葉門、支臂這四大承壓力部件的等效應(yīng)力，計(jì)算成果見圖4。

表7 閘門基于剛(強(qiáng))度的適用理論和模擬求解項(xiàng)

圖4 案例閘門強(qiáng)度模擬應(yīng)力云狀態(tài)圖

0.118 MPa為靜冰壓力的理想取值，靜水壓力為高9 m水頭的自重壓力，固定約束支臂末端，限制移位約束葉門的底部和兩側(cè)。對圖4中進(jìn)行梳理，分析結(jié)果見表8。

表8 案例閘門強(qiáng)度模擬分析結(jié)果

主梁總移位形變見圖5。

圖5中的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過轉(zhuǎn)化，結(jié)果見表9。

表9 案例閘門主梁剛度模擬結(jié)果

圖5 案例閘門主梁移位形變云狀態(tài)圖

將剛度與強(qiáng)度這兩項(xiàng)指標(biāo)的模擬計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，1 m冰厚為閘門的最大承載力，0.118 MPa的靜冰壓力是在-17℃～-1℃溫度區(qū)間且持續(xù)6 h之后生成的值。另外，所有部件的剛度及強(qiáng)度均比較富裕。

3.2 模擬計(jì)算與檢測實(shí)驗(yàn)結(jié)果比對分析

見表10-表12。

表10 案例閘門2012年度結(jié)冰期應(yīng)力檢測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) /MPa

表11 案例閘門2013年度結(jié)冰期應(yīng)力實(shí)驗(yàn)檢測數(shù)據(jù) /MPa

表12 案例閘門2014年度結(jié)冰期應(yīng)力實(shí)驗(yàn)檢測數(shù)據(jù) /MPa

由表10-表12數(shù)據(jù)分析得知，與其它日期相比，閘門所有部件在2013年3月15日的應(yīng)力值更大一些。將本研究模擬計(jì)算的結(jié)果與該日應(yīng)力檢測值進(jìn)行比較，結(jié)果見表13。

表13 模擬計(jì)算與靜應(yīng)力電測法檢測結(jié)果比對

參考誤差機(jī)理中有關(guān)常數(shù)的定義有：

(7)

式中：Dξη為數(shù)組η間與數(shù)組ξ的協(xié)方差；ρ為有關(guān)常數(shù)；σξ、ση為數(shù)組η、數(shù)組ξ的標(biāo)準(zhǔn)差。

有關(guān)常數(shù)計(jì)算公式(8)是通過展開式(7)生成的，即：

(8)

表13數(shù)據(jù)揭示，η為模擬值，ξ為應(yīng)力檢測值，利用式(8)計(jì)算出有關(guān)常數(shù)，即ρ為0.86，說明是中度有關(guān)。導(dǎo)致偏差的原因：①在模擬計(jì)算時(shí)，由于各部件的對應(yīng)測試點(diǎn)與探點(diǎn)取值不能準(zhǔn)確匹配，形成取值偏差；②使用靜應(yīng)力電測法時(shí)，由于風(fēng)速、濕度、氣候等相關(guān)要素影響，無法保證檢測結(jié)果的可靠性。但結(jié)果演變態(tài)勢未表現(xiàn)出太大差異，說明這兩種方法是完全可行的。

4 結(jié) 語

本研究以模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)分析的方式，對基于靜水(冰)壓力的閘門構(gòu)造靜力學(xué)進(jìn)行分析，結(jié)論如下：①介紹了案例閘門構(gòu)造，基于案例建立了閘門靜力模擬計(jì)算模型。②開展基于靜水(冰)壓力的閘門構(gòu)造靜力模擬計(jì)算，并與基于靜應(yīng)力電測法的實(shí)驗(yàn)檢測結(jié)果進(jìn)行比對分析。③經(jīng)計(jì)算和對比分析得知，0.86為模擬結(jié)果與實(shí)測值的有關(guān)常數(shù)，說明兩者中度有關(guān)，而且它們的演變態(tài)勢未出現(xiàn)太大差距，證實(shí)這兩種方法的可行性與可靠性。④經(jīng)計(jì)算和對比分析得知，案例閘門同時(shí)承受兩方面壓力，一是高度9 m水頭形成的靜水壓力力；二是0.118 MPa冰層形成的靜冰壓力，葉門、主梁、支臂及縱梁是閘門的主承壓部件，其等效應(yīng)力值分別設(shè)置為200.63、154.51、134.4及138.54 MPa，最大剪應(yīng)力分別設(shè)置為110.93、88.6、77.4及78.75 MPa。844 mm為主梁的移位形變最大值。其構(gòu)造的強(qiáng)度與剛度達(dá)到規(guī)范要求。