基于ANSYS的悬臂式双向门机结构有限元分析

2017-06-15祁林攀辛勇军赵春龙

制造业自动化 2017年5期

关键词：进水口门架启闭机

祁林攀，辛勇军，赵春龙，高扬，李岗

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065）

基于ANSYS的悬臂式双向门机结构有限元分析

祁林攀，辛勇军，赵春龙，高扬，李岗

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065）

水利水电工程中门式启闭机广泛应用于进水口、坝顶及尾水平台闸门和拦污栅的启闭、检修及吊运，是保证水利水电工程安全和正常运行的重要设备。启闭机运行工况复杂，需要考虑不同荷载组合下结构的安全性，悬臂式双向门机在各类启闭机设备中更为突出。针对某水电工程进水口双向门机，论述了设计需考虑的载荷、工况，借助大型有限元计算分析软件ANSYS通过空间三维结构静动力计算分析，提出了设计过程中应注意的关键问题，对工程设计具有一定的指导意义。

悬臂式；双向门机；有限元；结构分析

0 引言

启闭机是一种专门应用于水利水电工程闸门、拦污栅等启闭和吊运的特殊起重机，其可靠运行对保障工程安全至关重要[1]。移动式启闭机尤其是双向门机运行工况复杂，需要考虑不同荷载组合下结构的安全性。门机若发生结构破坏或倾覆失稳，后果十分严重。水利水电工程中布置于进水口的双向门机，由于清污和提栅等要求，常需要在门机上游跨外设置副小车，形成了带悬臂式的门架结构，其安全问题更为突出。本文以某水电站进水口1600kN/2×200kN双向门机为例，论述了悬臂式双向门机设计考虑的载荷及工况，对门架进行三维静动力特性分析，全面校核分析了结构设计，以保证设备的安全、经济和可靠。

1 设备参数

某水电站进水口1600kN/2×200kN双向门机共1台，主起升小车布置于门机跨内，用于启闭电站进水口检修闸门，以及快速闸门及液压启闭机的安装、检修等，副起升小车用于启吊进水口拦污栅、清污抓斗以及吊运进水口平台零星物品。门机主要由主起升小车、副起升小车、门架结构、大车运行机构、机房、机房内电动单梁桥机、门机轨道、夹轨器、阻进器及埋件、防风锚定装置及埋件、测风仪、避雷装置、电力拖动和控制设备以及必要的附属设备组成，构造如图1所示。

2 荷载工况

主副小车不同时工作。主小车额定起升载荷1600kN，额定运行载荷1000kN，在门机跨内上下游极限位间运行；副小车起升载荷2×200kN，额定运行载荷2×200kN，在门机上游悬壁段上下游极限位间运行。主、副小车架结构按各自起升机构及行走机构要求进行了梁格布置。主、副小车运行机构均设4个车轮，2个主动车轮，2个从动车轮，上部荷载通过小车车轮传递至下部门架。门架主要由箱形主梁、端梁、门腿、中横梁以及行走梁组成，主梁与端梁通过高强螺栓连接为整体组成上部结构，并与门腿进行现场焊接，门腿再与下部行走梁通过高强螺栓连接。大车运行机构共有8个车轮，4台主动车轮组，4台从动车轮组，门架底部行走梁与大车运行机构通过高强螺栓连接最终将上部荷载传递至轨道。

图1 某水电站进水口1600kN/2×200kN双向门机构造图

图2 进水口1600kN/2×200kN双向门机荷载图

根据《水电水利工程启闭机设计规范》（DL/ T5167-2002），门架结构按两类荷载情况进行计算。第Ⅰ类荷载按工作时的最大荷载进行强度、刚度和稳定性计算；第Ⅱ类按非工作时的最大荷载或工作时的特殊荷载进行强度和稳定性的验算[2]。结构材料采用Q345C，第Ⅱ类荷载许用应力在第Ⅰ类荷载情况下提高15%。进水口1600kN/2×200kN双向门机运行主副小车不同时工作。计算主小车工况荷载时，仅附加副小车自重荷载和风荷载；计算副小车工况荷载时，仅附加主小车自重荷载和风荷载。主小车工作时的工况如表1所示，副小车工作时的工况如表2所示。

表1 主小车工作时工况

表2 副小车工作时的工况

风荷载按最不利方向施加，主、副小车及起吊闸门迎风面风荷载按集中力施加于门架顶部轨道小车轮压位置，门架风荷载以均布荷载按照工作状态计算风压250N/m2，非工作状态600N/m2施加于迎风面上，取风荷载体型系数为1.3，风向下游一排门架乘以挡风系数，取平均挡风系数为0.5。按大车运行速度确定行走惯性加速度0.098m/s2，方向平行于轨道，计算惯性力时，惯性加速度引起的小车水平惯性力按集中力施加于小车轮压处，门架水平惯性力按惯性加速度施加水平方向场速度。重力加速度g=10m/s2，地震加速度取0.096g。考虑模型简化减少的自重，通过重力加速度g乘以系数k的形式考虑，k值为实际重量与模型重量的比值。

3 模型建立

门架采用ANSYS有限元计算软件进行三维建模及分析。建模在尽量保持与设计图纸一致性的前提作一定简化[4]，如梁系板间高强度螺连接栓和焊接连接统一简化为刚性连接，建模忽略平台、栏杆、梯子、车轮和司机室等附属结构，其重量在施加荷载时统一考虑。

图3 门架几何模型

图4 门架有限元模型

采用统一单位制：mm（长度），kg（质量），N（力）， MPa（应力)）。

建模坐标系采用笛卡儿坐标，X轴方向为顺水流方向，指向下游。Y轴方向为坝轴向方向，向左岸为正；Z轴方向为重力方向，向上为正。采用壳单元SHELL181来模拟门架的主要构件，181单元适用于薄到中等厚度的壳结构，可以保证计算分析模型与结构原型的整体刚度相一致，单元整体控制为100mm×100mm四边形网格，局部调整。门架上部小车轨道简化为梁系，采用beam188梁单元模拟。模型共分为140827个单元，138487个节点，统计得到门架简化模型重量为136.9t。

门机行走梁与下部车轮行走机构连接部位施加三个方向平移自由度约束。按小车轮压施加上部荷载，其他荷载按相应工况荷载位置及大小施加。门架结构空间几何模型及有限元模型如图3和图4所示。弹性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3，质量密度ρ=7850kg /m3。

4 计算分析

4.1 静力分析

1）刚度校核

图5 工况4整体位移云图

图6 工况13整体位移云图

对于受弯构件，应根据挠度计算结果进行刚度校核[5]。根据规范，门机在跨中的挠度，当工作级别为Q3时，yL≤L/800，其中L为门机的跨度；对于有悬臂的门机，当小车位于悬臂上的有效工作位置时，该处的垂直静挠度yL≤L/350，其中L为门机的悬臂长度。

通过有限元计算工况1～工况14知，门架在第I类荷载作用下最大挠度发生在工况13，即副小车上游极限位起吊运行荷载，发生在门架上游悬臂处，最大挠度为：fmax=28.0mm＜[f]=L/350=11000/350=31.4mm。门架在第I类荷载作用下，跨内最大挠度发生在工况4，即主小车跨中起吊额定荷载，跨内最大挠度为：fmax=7.6mm＜[f]=L/800=13500/800=16.9mm。该工况门机最大挠度为11.9mm，仍发生在门架上游悬臂处。因此，门架刚度满足规范要求。

2）强度校核

采用第4强度理论，提取Von Mises应力作为评价结构强度标准，允计应力按规范规定取值。门架在第I类荷载作用下最大应力发生在工况7，即主小车下游极限位置起吊额定荷载，最大应力σ=119.0MPa＜[σ]=230MPa。门架在第II类荷载作用下最大应力发生在工况9，即主小车下游极限位置起吊试验荷载，最大应力：σ =138.1MPa＜1.15[σ]=264.5MPa，门架在各工况下最大应力满足规范要求的强度。

图7 工况7等效应力云图

图8 工况9等效应力云图

3）抗倾覆稳定性校核

通过有限元计算工况15～工况19并提取支座约束处的支反力知，门腿支反力均为正值，因此门架抗倾覆稳定满足要求。

4.2 模态分析

模态分析是研究结构动力特性一种方法，通过模态分析可以预言结构在外部或内部振源作用下产生的实际振动响应，是结构动态设计及振动故障诊断的重要方法[6]。模态分析主要研究没有阻尼的自由振动，分析时只须对模型施加零位移约束，本文模态分析计算提取了门架前8阶自振频率，图9～图12列出了门架第1～4阶振型的变形方式。

表3 门架前8阶自振频率

图9 第1阶振型

图10 第2阶振型

图11 第3阶振型

图12 第4阶振型

门机第1阶振型为上下游方向以主梁为主的整体水平振动，可由主、副小车运行的水平制动激励引起；第2阶振型为左右岸方向以主梁上游悬壁端为主的整体水平振动，可由副小车吊物左右岸方向移动时大车运行机构的水平制动激励引起；第3阶振型为左右岸方向以主梁下游端为主的整体水平振动，可由主小车吊物左右岸方向移动时大车运行机构的水平制动激励引起；第4阶振型为门式启闭机主梁上游悬壁端局部竖直振动，可由副小车垂直吊物制动激励引起。模态分析结果表明，门机结构由于跨度大，上游悬臂长，结构刚度偏柔，低阶振动变形以主梁尤其是上游悬臂端的水平振动变形为主，实际工作过程中应尽量平稳启、制动，降低振动发生的机率。