基于Ansys 的淮安三线船闸人字门静力分析计算

2014-01-03赵永生谢智雄

电子测试 2014年2期

赵永生,谢智雄

（河海大学机电工程学院，江苏常州,213022）

0 引言

船闸人字门的静力特性分析方法通常包括两种：平面算法和三维有限元算法。平面算法是将人字门各部件如主横梁、竖向主梁简化为简支梁，并把载荷平均分布在各个面上的一种平面的算法；有限元算法是将人字门划分成微小的单元体，从空间的角度对微小单元体进行静力特性分析的数值分析方法，是能近似的解决广泛实际工程问题的算法。

针对京杭运河上淮安三线船闸人字门进行有限元算法静力特性分析研究，闸门尺寸：高度8.5m，宽度为13.584m，顺河向宽度为1.36m，计算中设计的最高水头为7.1m。本文以淮安三线工程为实例，建立了人字门的有限元模型，应用Ansys 软件对其静力特性进行了研究，并与平面算法进行了比较。

1 人字门有限元模型的建立

(1) 坐标系的建立

选择x 轴沿主横梁的轴向方向，指向人字门斜接柱；y 轴垂直于主横梁方向，指向人字门上游面板；z 轴竖直向上，零点位于底横梁旋转中心上。

(2)人字门结构简图及其有限元模型图

本算例人字门的孔口宽为23m，该人字门是一个空间结构体系，主要构件包括7 根主横梁、5 根竖向主梁、2 个背拉杆和面板，材料选用Q235。在每两个纵梁之间平均分布着两个T 字梁，起到加固面板刚度的作用。针对人字门上游闸门进行分析，人字门结构简图如图1 所示、以及船闸人字门有限元模型如图2 所示。

图1 人字门结构简图

图2 人字门有限元模型

(3) 施加载荷及约束

人字门的面板、主横梁腹板以及竖向主梁等面积都比较大，因此按梯度加载，载荷的大小随z 坐标的增大而减小，梯度为-9.8N/mm3，约束条件加在人字门的两个端面上：全约束。

2 有限元算法、平面算法比较

2.1 人字门各部件的应力分析

2.1.1 主横梁腹板的应力分析

表1 主横梁腹板的最大应力值(单位:Mpa)

由表1 中可以得到，1 号主横梁腹板的应力最小，这是由于1 号主横梁腹板所在的位置位于水面以上，并没有直接受到水压力的作用，而是受到水下面板以及竖向主梁等传递来的压力的影响。z 坐标数值越小，水压力就越大，2 号至7 号主横梁腹板的应力也越来越大。通过有限元算法对各主横梁腹板应力情况做具体分析，并且计算的主横梁腹板的应力值比平面算法计算的应力值要小，例如：通过平面算法计算出来的3 号主横梁腹板的最大应力值为70.3MPa，而通过有限元算法计算出来的应力值为64.8MPa。

2.1.2 竖向主梁应力分析

为观察人字门竖向主梁的应力情况，图3 绘出1 到5 号竖向主梁与3 号主横梁、4 号主横梁的简约剖视图。a、c、e、g、i为位于主横梁和竖向纵梁的的交线并在竖梁上的节点，竖梁上其他节点b、d、f、h、j 为竖向主梁的中点位置（竖向主梁与主横梁的编号如图1），表2 分别给出了图3 中各点的应力值。

图3 竖梁上各点的编号

由表2 中的数据可以得到，竖向主梁的最大应力值一般都出现在竖向主梁与主横梁相交处及节点上，这是因为这些节点是连接主横梁、竖向主梁和面板的交点，刚度较强，受到面板上水压力影响大，受到的作用力也就变大，因此应力也比较大。而平面算法是把相交部分简化为简支梁，受到的水压力来自于两主横梁之间，相当于竖向主梁上的载荷是平均分配的，面板载荷被人为的分配，因此平面算法计算的相同节点的应力值要比有限元算法计算的应力值小。

2.2 人字门结构变形分析

应用有限元算法，在Ansys 的结果变形图中可以清晰地看到主横梁、竖向主梁、面板的最大变形以及发生最大变形的点。图4、图5、图6 分别给出了人字门第3 根主横梁、第3 根竖向主梁以及面板的结构变形图。由于水压力的影响，主横梁、竖向主梁、面板均发生较大的位移，并产生扭转变形，使得各部件偏离了原来的平面，并且各部件的变形并不完全一样。其中主横梁腹板的变形最大，7 根主横梁腹板的最大位移和最大转角位移如表3所示。

图4 主横梁的变形图

图5 竖向纵梁的变形图

图6 人字门面板的变形图

《规范》中规定，人字门主横梁中的最大挠度≤1/600。由表3可知，主横梁腹板的最大位移为10mm，该人字门主横梁的长度为13.584m,挠度最大值为10/13584 ＜1/600，因此有限元算法得出人字门的位移变形是符合要求的，并且挠度大小也符合。从表3 中可以得出主横梁腹板的位移是随着水压力的增大表现出增大趋势，这是因为z 坐标越小，作用在人字门上的水压力就越大，因此变形就更突出。除了线位移变形外，主横梁腹板还存在转角位移，7 号主横梁腹板的变形最为明显，位移与转角位移值最大。

2.3 两种算法产生差异的原因

表2 竖向主梁的应力(单位:Mpa)

表3 主横梁腹板的最大位移量（mm）和最大转角位移（arc）

两种算法本身就存在着差异，原因也是多方面的，但主要在于以下两个方面：

(1) 在静压力的计算时，两种算法对水压力的处理方式不同。水压力应为一梯度载荷，有限元算法是将水压力处理为梯度函数，将载荷逐级加载在已划分好的有限元模型上。而平面算法是把水压力简化为为集中载荷，作用在人字门主横梁上，则计算出来的应力值要大于有限元算法的应力值。

(2) 计算人字门各部件的应力时，两种算法对考虑人字门各结构部件之间的影响不同。有限元算法把人字门划分成很小的单元体，又考虑了各节点的作用力，把人字门作为一个空间结构来计算分析；平面算法在计算各结构的的应力时，代入的都是最大应力点的应力值，并没有考虑各构件之间的联系，比如人为的忽略了背拉杆能抵消一部分应力，因此计算出来的各主横梁的最大应力大于有限元算法的计算值。

从上面的分析可知，有限元算法是一种更高效、更常用的数值分析算法。