基于ANSYS软件的弧形钢闸门三维有限元分析

冀 芳，李 岗

（1.西安技师学院，西安 712000；2.西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065）

0 引言

弧形钢闸门具有启闭灵活，操作性好，水流条件好等优点被广泛应用于泄水建筑物的工作闸门[1]。按照国内现行的行业规范《水电水利工程钢闸门设计规范》，闸门设计采用平面结构体系的结构力学法，弧形闸门的纵向梁系和面板，可忽略其曲率的影响，近似按直梁和平板进行验算[2]。这种方法是将弧形闸门简化分解为单个构件（面板、主梁、水平次梁、垂直次梁、支臂等），然后按平面体系的结构力学对每一部件进行计算。但弧形钢闸门是个空间结构，外部荷载将由全部结构共同承担。按照平面体系方法不能准确反映弧形钢闸门的空间结构真实受力情况，设计出的闸门可能在一些部件上过于保守，而在一些关键部位又可能安全裕度不够，从而造成整个结构的不安全[3]。随着计算技术和计算机硬件的发展，有限元分析技术在工程技术领域得到越来越广泛的应用。国内关于弧形钢闸门有限元计算分析的文献都是针对具体的工程进行计算。但有限元方法的计算结果与单元型式、网格疏密、荷载类型及边界约束条件有直接关系。目前还没有相关判定的标准，本文将基于ANSYS软件平台对弧形钢闸门三维模型建立、网格划分、边界约束、荷载类型等进行研究，并应用于具体工程实例，为弧形钢闸门的三维有限元分析提供依据和参考。

1 有限元模型建立及关键技术问题处理

1.1 单元类型选择及网格划分

弧形闸门是一个板、梁、柱组合的空间薄壁结构，其结构组成、受力分析比较复杂，模型离散是有限元分析成功的关键。模型离散包括单元类型选择及网格划分两部分[4]。

首先单元类型选择主要考虑弧形钢闸门各部件的结构特点及传力方式。这就必须要求对弧形钢闸门按组成构件进行解剖。典型弧形钢闸门由门叶结构（包括面板、主横梁、水平次梁、垂直次梁等构件）、支臂结构（包括支臂、支臂之间的联接杆件）和支铰等三大部分组成。弧形钢闸门各构件单元类型选择如表1所示。

表1 弧形钢闸门主要构件有限元单元类型

其次，单元形态对计算结果影响很大。在单元划分时，应尽量使单元的形状规则化，各构件在相互连接处保证有共同节点，有良好的变形和受力的协调性，以保证有限元计算结果的正确性。同时单元的尺寸必须足够小，才能够反映出结构局部真实的应力和变形结果，这样计算的误差才能控制在可接受范围内。但单元划分过小，模型数据量会增大，对计算机硬件提出更高要求，增加计算分析难度。对于同一有限元模型，可通过多次单元划分比较，直至取得理想的计算结果。

1.2 边界约束处理

根据弧形钢闸门运行工况及边界条件，对有限元模型施加边界约束如表2所示。

表2 弧形钢闸门有限元模型施加的主要边界约束

应说明对门叶与底坎接触部位，在计算启门瞬间工况时，应保持单元自由状态；对于门叶吊耳与启闭机联接部位，在计算静态挡水工况时，应保持单元自由状态。

1.3 计算工况及荷载

按照弧形闸门正常运行及受力情况，应对闸门静态挡水、启门瞬间和最大开度三种工况进行计算分析。按照现行设计规范，其分别应考虑的荷载如下：

1）静态挡水

（1）闸门设计水头下的水压力：将闸门实际承受的水压力按照梯度面荷载施加于门叶面板上游侧；

（2）闸门自重（包括加重）：在设置模型材料密度的前提下，设置竖直向下的重力加速度值为闸门所在地区的重力加速度值[5]；

（3）其他荷载（如有）：包括泥沙压力、波浪压力、风压力等，可按照规范计算方法，将计算结果施加于有限元模型相应部位。

2）启门瞬间

（1）闸门设计水头下的水压力；

（2）闸门自重（包括加重）；

（3）其他荷载（如有）：包括泥沙压力、波浪压力、风压力等；

（4） 启闭力：在闸门处于启门瞬间工况时，闸门自重、水封摩阻力、支铰摩阻力、启闭力对于支铰中心的力矩处于平衡状态，此时启闭力可通过对闸门吊耳处施加垂直和水平向位移约束实现。

3）最大开度

（1）闸门自重（包括加重）；

（2）启闭力：在闸门处于最大开度时，闸门自重和启闭力对于支铰中心的力矩处于平衡状态。此时启闭力可通过对闸门施加重力，并对闸门吊耳处施加垂直和水平向的位移约束实现。

2 工程实例及基本参数

2.1 基本参数及结构型式

某电站大坝布置1孔泄洪底孔，其进口设置1扇事故闸门，出口设置1扇弧形工作闸门。弧形工作闸门基本参数如表3所示。

表3 某电站泄洪底孔弧形工作闸门基本参数

该弧形钢闸门为双主横梁直支臂结构，主梁及支臂均为实腹式焊接工字形梁，支铰采用自润滑轴套。闸门为单吊点，吊点布置于闸门顶部。侧向支承为简支式侧轮。钢材材料主要为Q345B，型钢材料为Q235B。止水橡皮材料为SF6674。支铰的铰链、铰座材料为ZG310-570。支铰轴材料为40Cr锻钢。

2.2 有限元模型及参数

弧形闸门的结构布置如图1所示。以水流方向为X轴（向上游为正），重力方向为Y轴（向上为正），支铰轴的轴向为Z轴(向右为正)建立坐标系。根据设计尺寸建立弧形闸门的三维模型，并按照本文第一节所述方法，对三维模型进行网格划分和单元类型定义。最终的有限元模型如图2所示，共划分为45606个单元及44129个节点。

图1 弧形钢闸门门叶总图

闸门主要材料为Q345B，其材料参数为：密度ρ=7.85g/mm3，泊松比μ=0.3，弹性模量E=2.06×106Mpa，水容重ɣ=10kN/m3。

图2 弧形钢闸门有限元网格模型

2.3 计算结果

为简化篇幅，本文只计算弧形闸门启门瞬间的工况。按照本文1.2节中表2所述，对模型施加约束，按1.3节对模型施加荷载，包括闸门自重、设计水头下水压力、启门力。对弧形闸门进行静力分析，得到位移计算结果如图3所示，应力计算结果如图4所示。计算结果中应力单位为MPa，位移单位为mm。

从图3看出，闸门的最大位移为5.1mm，发生于闸门中部的面板区格内。闸门最大应力为135Mpa，发生于上主梁与面板相交处。

图3 整体位移计算结果

图4 整体应力计算结果

3 计算结果对比及分析

同时采用规范所述的平面体系方法对该弧形闸门进行了计算，现将两种方法的主要部件应力计算结果列于表4。

表4 两种方法应力计算结果对比

1）主横梁应力

平面体系计算方法没有充分考虑面板的参与作用。平面体系的主横梁应力计算结果比三维有限元计算结果偏大。因为面板连同其他水平次梁、垂直次梁形成整体空间结构参与了结构受力，而平面体系方法则将主梁看成单独作用的结构，虽然按规范选取了面板作用宽度，但不能体系整体受力情况，导致计算结果偏大，从表4可得，偏大约8%。但是对闸门而言是偏安全的。

2）垂直次梁应力

平面体系计算方法的垂直次梁荷载分配偏小，导致其应力计算结果偏小。这是因为平面体系的计算方法将垂直次梁按两端悬臂的简支梁计算，分配荷载为两垂直次梁间距范围内的水压力荷载。而实际受力情况是，在支臂与主横梁连接处对应的垂直次梁较其他垂直次梁受弹性支撑的刚度交大，因而分摊的荷载多，应力也较大，根据表4，有限元方法计算结果偏大18%。

3）支臂应力

支臂是整个弧形钢闸门中主要的承压构件，除受轴向压力外，同时受到横向框架平面（主横梁和支臂框架平面）与纵向框架平面（上下支臂框架平面）内的弯矩作用，是偏心受压构件。而平面体系方法只考虑了横向框架平面内的弯矩，从而导致计算结果比三维有限元方法计算结果偏小，按表4计算结果，有限元方法结果比平面体系方法偏大28%。大量的工程实践表明，闸门失事并不是应为支臂强度不够，而是支臂失稳，发生弯扭引起的。因此支臂计算必须考虑空间结构的受力情况。

4）面板应力

由表4看出，按照现行规范计算得到的面板应力大于有限元计算结果。这是由于平面体系计算方法中采用的是面板区格中心的水压力强度，且不考虑面板区格周边梁系分担了一定的荷载。

4 结束语

1）基于大型有限元分析软件ANSYS，研究了弧形钢闸门的三维有限元分析中关键技术问题，通过工程实例，验证了计算模型的正确性和可靠性。

2）对于弧形钢闸门主梁，现行规范的平面体系计算方法由于未充分考虑面板及相邻次梁的作用，主梁的应力计算结果偏大，是偏安全的。

3）对于弧形钢闸门支臂，由于平面体系计算只靠虑了横向主框架平面内的受力，因此计算结果偏小。因此除进行强度计算外，必须对支臂进行两个平面内的稳定性校核。

4）对于垂直次梁，按照平面体系计算方法人为将荷载均匀分配，导致支臂处次梁计算应力偏小，而此部位是弧形钢闸门受力关键部位，因此应对支臂处的垂直次梁进行三维有限元应力复核。

5）三维有限单元法虽然真实反映了弧形钢闸门空间结构受力情况，但由于计算过程较为复杂，对设计人员的有限元计算水平提出了较高要求，且国内没有相关的技术标准和设计导则可供参考，导致计算结果无法评判和验证。这是亟待解决的问题。

[1]郑克红.高水头弧形钢闸门三维有限元分析[D].河海大学,2005,2-4.

[2]SL/74-2013水利水电工程钢闸门设计规范[S].24-30.

[3]李文娟,沈炜良,马兆敏.弧形钢闸门三维有限元分析[J].山东大学学报,2003(6),265-270.

[4]郭光林,蒋桐.大型弧形钢闸门空间结构计算及分析[J].南京建筑工程学院学报,1999(3),45-50.

[5]张全利.弧形钢闸门吊点位置的分析研究[D].河海大学,2012,45-46.