弧形闸门的有限元分析在液压缸选型中的应用

2015-09-23林利芬张开会

时代农机 2015年12期

林利芬，张开会

（1.武汉软件工程职业学院，湖北武汉430000；2.芜湖市银鸿液压件有限公司，安徽芜湖241000）

弧形闸门的挡水面为圆柱体的部分弧形面，由于弧形闸门不用设置门槽，启闭力学性能好，作为工作闸门在各种类型的水道中得到广泛应用。铰接座位于弧形面的下端，启闭时闸门绕支承铰转动。弧形闸门由门叶、铰接座、支撑杆、支撑油缸及液压系统组成。本文以3m弧形闸门为分析对象，在Femap有限元分析平台中，把其整个启闭过程添加梯形载荷，分为多个载荷步进行分析，通过后处理提取油缸支撑处的载荷及支撑反力数据，为油缸设计选型提供依据。

1 弧形闸门计算模型建立

采用有限元计算软件Femap With NX Nastran建立3m弧形闸门整体计算模型。下部铰接座采用MASS单元模拟，铰接座与铰接轴连接采用RBE2单元模拟（释放销轴方向自由度），其余构件采用板单元模拟。上部油缸座及支撑架与弧形闸门的连接，按照固定连接处的节点处理，弧形闸门的面板、横筋和纵筋的材料均为Q235B。各支点的边界条件如表1所示，计算模型如图1所示。

图1 3m弧形闸门计算模型

表1 3m弧形闸门各支点边界条件表

说明：Di表示平动的自由度，Ri表示转动自由度；“1”表示约束，“0”表示自由，A、B、C、D分别为下部铰接座的下左支点、下部铰接座的下右、油缸的上左支点、油缸座的上右支点。

计算工况说明：表2为3m弧形闸门从开闸最低水位到关闸最高水位时，弧形门板从0°靠油缸顶推，沿着下部铰轴旋转到75°的四个计算工况。弧形闸门的自重载荷按照重力加速度修正后处理，水位的高低及在弧形门板上的压强，按照梯形压强添加在弧形门板的外表面，水流的冲洗系数是按照比例关系添加在梯形压强上。

表2 臂架的四个计算工况

2 弧形闸门的金属结构分析

3m弧形闸门在关闸的最高水位下，闸门下部三分之一位置出现最大应力，最大综合应力约32MPa，小于容许应力159MPa，强度满足要求。图2为弧形闸门在最高水位状态的整体应力分布图，在最高水位状态下，弧形闸门的最大合位移出现在弧形闸门下部的面板上和弧形闸门上部的两个尖角处，最大综合位移约0.46mm。

图2 最高水位状态下整体应力分布图（MPa）

图3 最高水位状态下整体位移图（mm）

3 弧形闸门的横向筋骨强度计算

弧形闸门的横向筋中，上下两个横向筋为无缝钢管，中部的四个横向筋为焊接的工字型梁，材质均为Q235B。经过计算分析，中部支撑位置应力较大，最大综合应力约27.5MPa，小于容许应力159MPa。图4为最高水位状态下弧形门板的横向筋应力分布图，最高水位状态下，横向筋的最大位置分布在两侧，越接近水面，下挠越大，最大的综合位移约0.46mm。图5为最高水位状态下的横向筋位移图。

图4 最高水位状态下横向筋应力分布图（MPa）

图5 最高水位状态下横向筋位移图（mm）

4 弧形闸门的竖向筋骨强度计算

弧形闸门的六个竖向筋均为板材焊接的弧形工字梁，材质均为Q235B；经过计算分析，中下部应力较大，最大综合应力约17.3MPa，小于容许应力159MPa，图6为最高水位状态下弧形门板的竖向筋应力分布图；最高水位状态下，横向筋的最大位置分布在两侧，越接近水面，下挠越大，最大的综合位移约0.46mm，图5为最高水位状态下的竖向筋位移图。

图6 最高水位状态下竖向筋应力分布图（MPa）

图7 最高水位状态下竖向筋位移图（mm）

5 铰座及油缸支座的支撑反力

支撑油缸的一段与弧形门板之间通过铰接座连接，另一端与地面的锚固机构听过铰接座连接；通过对弧形门板分别回转0°、25°、50°、75°四个工况进行有限元分析，提取每个状态下的支撑反力，得出在最高水位状态下，支撑油缸的支撑反力最大，表3为提取的在最高水位状态下的油缸铰接座处的总支反力、沿水流方向的支反力、竖直方向支反力和垂直水流方向的支反力。通过提取的支撑反力，为油缸的选型提供依据。