水閘覆冰提升的ANSYS軟件分析研究

譚其志，蘇艷菲

(貴州省水利投資(集團(tuán))有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550081)

1 概述

云貴高海拔地區(qū)容易發(fā)生凝凍，在水工結(jié)構(gòu)物表面積冰。依據(jù)SL 74—2019《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定的閘門與冰層間必須采用合理的方法隔開，避免閘門承受冰載荷。如情況惡劣，應(yīng)采取保溫或加熱措施，防止閘門與門槽凍結(jié)，但是農(nóng)田水利設(shè)施多處于偏遠(yuǎn)郊區(qū)、山地，工程技術(shù)條件有限，部分站點直接帶冰提升，導(dǎo)致閘體結(jié)構(gòu)變形、混凝土支撐結(jié)構(gòu)老化和啟閉機(jī)過載等事故時有發(fā)生，縮短了水閘及其配套設(shè)備的使用壽命[1]。因此，研究積冰對水閘危害的特征，提高安全使用意識是十分必要的。

水閘帶冰啟動的提升載荷除滿足自重條件，還要破壞積冰在水閘表面的附著力。維持黏附狀態(tài)的作用力被稱為冰的附著力，有2種形式：水在液相到固相的轉(zhuǎn)變過程中，冰與金屬2種固態(tài)物質(zhì)密切接觸形成了“粘附力”，表現(xiàn)為冰與固體表面間的作用；結(jié)冰過程中，固態(tài)水分子間的作用力形成“粘聚力”，表現(xiàn)為冰的力學(xué)性能。冰的“附著”是相對于“脫落”而言的，常用的除冰方法，如涂層防冰、機(jī)械除冰和加熱除冰等[2]，無論何種方式都是通過能量轉(zhuǎn)換，破壞冰在金屬表面的附著力。冰的附著狀態(tài)受外部條件影響打破后，會形成冰的“脫落”和“斷裂”，分別對應(yīng)結(jié)冰“粘附力”失效和結(jié)冰“粘聚力”失效2種不同的失效形態(tài)[3]。

覆冰與水閘接觸面脫落的強(qiáng)度條件，與積冰附著狀態(tài)失效的形式有關(guān)?！氨撀洹睍r壁面上的冰完全脫落，幾乎無任何冰殘留，屬于“結(jié)冰黏附力失效”；“冰斷裂”時壁面會有一極薄的冰層殘留，屬于“結(jié)冰黏聚力失效”。Mirshahidi[4]通過實驗測量了不同材料表面拉伸附著力失效的強(qiáng)度條件，獲得黏附力強(qiáng)度極限為0.34～0.48MPa，黏聚力強(qiáng)度極限為0.9～1.7MPa。為簡化實驗過程，多不區(qū)分失效形式，僅考慮斷裂強(qiáng)度極限。陳功[5]通過試驗對6061鋁合金表面結(jié)冰后所產(chǎn)生的附著力進(jìn)行了測算，確定冰在切向載荷作用下的強(qiáng)度極限約為0.6MPa。Rnneberg[6]研究了積冰密度與黏附力的關(guān)系，實驗確定的切向載荷極限為0.78MPa。曹巖[7]、肖贊[8]和張紅彪[9]對自然河冰的力學(xué)性質(zhì)和強(qiáng)度條件開展了實驗研究。影響結(jié)冰附著力的因素很多，劉禎[10]在基底不變的情況下，研究了靜態(tài)結(jié)冰及相同水含量、不同平均粒徑的水霧，在不同溫度下的動態(tài)結(jié)冰的冰附著力(剪切力)的變化情況。

目前水閘覆冰運(yùn)行缺少有效的監(jiān)測手段，對水閘提升受力特征分析研究的相關(guān)成果相對較少，而且經(jīng)濟(jì)性也是制約農(nóng)田水利工程施工中開展現(xiàn)場實驗研究的重要因素。已有的冰強(qiáng)度實驗為仿真分析提供了數(shù)據(jù)支撐，因此本項目利用ANSYS有限元軟件，模擬凝凍天氣閘門帶冰提升過程，研究提閘脫冰對水閘結(jié)構(gòu)的危害。

2 結(jié)覆冰運(yùn)行工況

閘門運(yùn)行主要承受靜水壓、動水壓、水流沖擊和自身重力。在特殊情況下，水閘結(jié)構(gòu)強(qiáng)度還需要抵抗漂浮物撞擊和地震外載荷作用。正常運(yùn)行極限情況下，閘門處于單向承壓狀態(tài)，一側(cè)來流承壓，一側(cè)不承受水壓。

凝凍天氣發(fā)生時，空氣中的過冷液滴隨氣流運(yùn)動撞擊水閘迎風(fēng)面，閘門表面和側(cè)邊的水滴在重力的作用下向水閘底部匯集，會在水閘底部密封處形成覆冰。隨凝凍天氣的持續(xù)，覆冰厚度會不斷增大。

由于缺少水閘迎風(fēng)面凝凍積冰厚度的觀測數(shù)據(jù)，參考輸電線路積冰實驗觀測數(shù)據(jù)[11]，可知積冰厚度在10mm左右變化。因水閘迎風(fēng)得水能力，遠(yuǎn)好于輸電線路，在研究時假設(shè)積冰完全覆蓋閘門和門槽底部連接處，覆冰區(qū)域如圖1陰影所示。圖1(b)為圖1(a)側(cè)視底部覆冰區(qū)域局部放大。

圖1 水閘底部覆冰示意

3 仿真模型建立

3.1 覆冰黏附模型

閘門在啟閉機(jī)提升力的作用下向上移動，覆冰脫落應(yīng)力特征與相對運(yùn)動有關(guān)。從圖1(b)可以看出，閘門①提升與底部覆冰③脫離時，閘門①與覆冰③之間存在切向相對運(yùn)動，應(yīng)按剪切強(qiáng)度計算；門槽②與覆冰③間存在法相相對運(yùn)動，應(yīng)按拉伸強(qiáng)度計算。覆冰脫落模型應(yīng)兼顧裂紋形成中存在的應(yīng)力狀態(tài)。

3.1.1黏結(jié)區(qū)模型

在外力的作用下，覆冰克服表面原子間的結(jié)合力脫離水閘表面形成裂紋，進(jìn)而實現(xiàn)覆冰脫落，通過線彈性力學(xué)無法分析覆冰斷裂脫落的過程。黏結(jié)區(qū)域模型CZM是對實際斷裂過程的近似量化表達(dá)，廣泛用于研究脆性和塑性材料的裂紋擴(kuò)展，模型如圖2所示[12]。黏結(jié)區(qū)模型假設(shè)2個表面間存在沒有完全分離的黏結(jié)區(qū)，由表面間應(yīng)力和相對位移定義本構(gòu)關(guān)系，其內(nèi)部應(yīng)力和表面間位移隨著外部載荷的增大而增大，當(dāng)載荷應(yīng)力超過臨界分離應(yīng)力值時形成新的斷裂面。斷裂計算期間，內(nèi)部應(yīng)力逐漸減小為零，表面間位移擴(kuò)大至分離臨界強(qiáng)度值，是一個漸進(jìn)發(fā)展的過程。在黏結(jié)區(qū)域內(nèi)可以發(fā)生拉伸分離、剪切滑移和混合模式，與覆冰脫落相對水閘表面的運(yùn)動形式相符，可用于分析覆冰與結(jié)構(gòu)表面分離。

圖2 CZM單元破壞

3.1.2CZM材料設(shè)置

基于覆冰斷裂應(yīng)力特征，選擇“基于分離-距離的剝離”設(shè)置CZM材料，優(yōu)先選擇前述冰強(qiáng)度條件實驗研究最大值，確定切向應(yīng)力τ=0.78MPa，法向應(yīng)力δ=1.7MPa。CZM材料參數(shù)見表1。

表1 CZM模型參數(shù)

3.2 分析模型建立

按照項目設(shè)計水閘結(jié)構(gòu)尺寸，在Ansys中建立如圖3(a)所示的幾何模型，由門槽、閘門和底部積冰3部分組成。閘門尺寸為1.6m×1.5m×0.16m，門槽尺寸為3.16m×1.65m×0.3m，水閘底部覆冰示意圖1(b)所示門槽底部外檐，覆冰截面半徑42mm。

圖3 閘門底部覆冰幾何模型網(wǎng)格劃分

閘門和門槽結(jié)構(gòu)材料選擇“Q235”，底部覆冰的材料選擇“Ice”，2種材料的參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 實體材料參數(shù)

設(shè)置冰與閘門、冰與門槽底部、冰與門槽兩側(cè)接觸面為CZM模型。閘門與門槽接觸面為“Frictional”連接模式，摩擦系數(shù)為0.2。分區(qū)域劃分網(wǎng)格，水閘整體單元尺寸0.05m，覆冰單元尺寸0.025m，共劃分網(wǎng)格單元31768個。

3.3 載荷條件

當(dāng)閘門關(guān)閉時，閘門與門槽閉合處于混凝土地基上，門槽不可移動，設(shè)置門槽底面為“固定支撐”。閘門帶冰提升時，為觀察水閘結(jié)構(gòu)和應(yīng)力特征的改變，門槽兩側(cè)沒有施加約束，忽略了混凝土支撐的作用。依據(jù)項目設(shè)計，閘門頂部垂直方向施加提升載荷F=50kN。

由SL 74—2019可知閘門結(jié)構(gòu)板件厚度(≤16mm)對應(yīng)的抗拉、抗壓、抗彎和抗剪許用應(yīng)力為：[σ]=160MPa，[τ]=95MPa，按照第四強(qiáng)度理論分析水閘結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

4 分析結(jié)果

經(jīng)有限元計算水閘結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，提取第四強(qiáng)度等效應(yīng)力云圖，如圖4所示。在門槽底部靠近覆冰區(qū)域存在應(yīng)力集中，最大應(yīng)力約6.03MPa，小于設(shè)計規(guī)范要求，閘門結(jié)構(gòu)安全。閘門與覆冰間作用應(yīng)力約為1.34～2.01MPa，大于分界面剝離應(yīng)力限度，覆冰開裂脫落。

圖4 水閘結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

門槽產(chǎn)生應(yīng)力集中的原因與結(jié)冰附著力有關(guān)。如圖5所示，在閘門提升瞬間，因覆冰黏附阻滯閘門豎向提升運(yùn)動，提升力F相對積冰附著點形成如圖5所示的傾覆力矩T，在其作用下閘門向覆冰區(qū)傾斜。導(dǎo)致門槽和閘門間擠壓作用增強(qiáng)，提升摩擦力增大，引起門槽和水閘結(jié)構(gòu)變形，產(chǎn)生應(yīng)力集中。因應(yīng)力集中幅度僅占門槽強(qiáng)度極限的3.7%，所以帶冰提升不會直接破壞水閘結(jié)構(gòu)。

圖5 覆冰作用下閘門提升傾覆示意

從圖6水閘結(jié)構(gòu)變形圖中可以看出，水閘頂部位置偏移了約0.12mm，而底部應(yīng)力集中區(qū)域變形不大。這是由于門槽頂部相對底部在豎直方向，存在變形放大現(xiàn)象，底部應(yīng)力集中產(chǎn)生的小角度變形，會引起頂部相對較大的位置偏移，但其絕對偏移量較小，不會影響水閘的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。閘門在提升載荷和覆冰附著力作用下存在微弱變形。

圖6 水閘結(jié)構(gòu)變形

綜合應(yīng)力和變形特征分析可知，因凝凍覆冰厚度遠(yuǎn)小于河道冰凍結(jié)冰，由冰附著力產(chǎn)生的脫冰載荷不會對水閘結(jié)構(gòu)造成直接危害。在極端天氣冰凍災(zāi)害發(fā)生時，若情況緊急，除冰條件不足，可臨時強(qiáng)行提閘運(yùn)行。但是在云貴高原，凝凍天氣持續(xù)時間較長，頻繁帶冰提閘在應(yīng)力集中區(qū)容易產(chǎn)生疲勞破壞，且門槽頂部安裝的啟閉機(jī)等設(shè)備隨門槽位置偏移，會加劇底部應(yīng)力集中。因此，應(yīng)采取必要的防除冰措施，避免采用帶冰提閘的運(yùn)行方式，保護(hù)水閘的長期安全可靠。

5 結(jié)論

項目研究通過ANSYS有限元分析軟件，基于CZM黏附模型，建立了水閘覆冰的有限元模型，模擬研究了底部積冰時提閘運(yùn)行的受力特征，研究發(fā)現(xiàn)：

(1)積冰阻滯水閘提升，使啟門力相對覆冰區(qū)形成傾覆轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致閘門傾斜，與門槽發(fā)生擠壓，增大了提升阻力，在門槽底部形成應(yīng)力集中。應(yīng)力集中上限值相比門槽結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較小，不會造成結(jié)構(gòu)的直接破壞，引起的變形幅度很小，不會危害結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

(2)水閘積冰使局部應(yīng)力增大，打破了水閘運(yùn)行原本穩(wěn)定的應(yīng)力環(huán)境，雖不能造成直接結(jié)構(gòu)破壞，但是在凝凍高發(fā)地區(qū)，水閘頻繁帶冰提升，引起周期性應(yīng)力集中，會在門槽底部產(chǎn)生疲勞破壞，危害水閘的長期穩(wěn)定運(yùn)行。