滚动型平面钢闸门三维有限元分析

刘丽

（辽宁省水利工程建设质量与安全监督中心站，辽宁沈阳 110003）

1 概述

钢闸门是水利工程中一种典型的金属结构，起到关闭、开启或局部开机水工建筑物过水口的作用。滚动型平面钢闸门是钢闸门中常见的一种型式，其闸门门叶支承部分为滚动支承。滚动支承是装在门叶边梁上的轮子，其在门槽轨道上作滚动摩擦运动，滚轮支承摩擦阻力小，因此所需的闸门启门力也小。闸门门叶结构包括面板、主梁、次梁、纵梁、边梁和滚轮等构件，在设计制造和安装前需对钢闸门主要构件的受力特性进行计算分析。

《水利水电工程钢闸门设计规范》[1]中规定，平面钢闸门应按平面结构体系进行设计，将钢闸门拆分成单独的构件，同时主要构件采用杆件、刚架、梁等平面系统和板壳模型进行计算，不能准确描述各构件间的联系和钢闸门空间受力的实际情况[2]。有限元方法是一种应用广泛且高效实用的数值计算方法，在结构工程强度分析计算领域中优势明显，近年来采用有限元方法对钢闸门进行计算模拟的研究日渐增多[3-12]，在计算构件应力、应变方面取得一定成果。但目前该领域的研究在对钢闸门进行模拟时大部分对其进行一定简化，使计算成果不能完全客观地体现工程实际。尤其是在对滚动型平面钢闸门模拟时，相关研究为简化模型将其滚轮结构删除，同时将原来滚轮与滑道的线接触改为边梁与滑道的面接触，使得钢闸门整体的受力情况发生变化，所得计算结果偏于保守，而且在容易出现应力集中的滚轮轴与门叶固定部位未予以考虑。

ANSYS作为一种大型通用的有限元分析软件，提供广泛的工程仿真解决方案。在ANSYS 7.0版本开始加入了新一代协同仿真环境，在该环境下可以实现几何建模、网格划分、模型计算和数据处理功能等功能，实现前后处理和求解计算的集成，对工程实际仿真模拟高效便捷。本文以某水利工程滚动型平面钢闸门为例，对其主要构件进行强度和刚度校核，并对滚轮结构进行精细模拟，为钢闸门的安全检测和评价提供参考依据。

2 几何建模

滚动型平面钢闸门宽6.210 m、高5.200 m，闸门作用水头3 m。钢闸门的梁系结构采用同一层布置，主横梁采用工字梁形式，前翼板与面板焊接，自下至上依次编号为1～4号；横向次梁采用槽钢18号a，自下至上依次编号为1～6号；边梁采用T字梁形式，腹板与面板焊接，竖向次梁自左至右依次编号为1～7号；滚轮由于结构模型和受力的对称性，只对左侧滚轮进行研究，自下而上依次编号1号、2号。所建立的三维模型以及滚轮细部模型如图1、图2所示。

3 网格划分及荷载约束布置

图1 三维实体建模

图2 滚轮细部模型

通常对钢闸门仿真分析的单元类型选择时有2种：一种是三维片体有限元模型，使用shell63单元体，优点是计算量较小，缺点是无法体现细节部分的受力情况；一种是三维实体有限元模型，使用solid45单元体，优点是模型细节体现较好，缺点计算量较大，适合计算复杂空间几何体。为提高分析精度，该闸门仿真分析选择三维实体有限元模型，采用solid45单元体。在网格划分过程中，考虑网格划分效率，对形体简单的构件使用扫掠网格划分，对由多个形体简单部分组成的构件采用多域扫掠型网格划分，对形体复杂的构件采用自动网格划分。有限元网格划分单元数40 628，节点数295 481。

在材料属性取值上，根据钢闸门主要构件的材料为Q235A普通低碳钢，材料弹性模量取E=2.06×1011Pa，泊松比取 μ =0.30，容重取 γ =78.5 kN/m3；滚轮结构采用ZG270-500中碳铸钢，材料弹性模量取 E=2.02×1011Pa，泊松比取 μ=0.30，容重取容重取γ=78.5 kN/m3。

荷载约束根据实际工况进行布置：计算荷载主要考虑作用于钢闸门自重和静水压力，静水压力作用于钢闸门面板侧；钢闸门底部受垂向（z方向）约束，钢闸门因滑道的作用在滚轮与滑道接触处受水流方向（y方向）的约束。

4 计算结果分析

4.1 强度校核

根据钢闸门设计规范[1]，钢材的容许应力由钢材的厚度决定，由于闸门主要构件厚度均小于等于16 mm，属于Q235碳素结构钢中第一组，屈服强度[σ]=235 MPa。对于大中型工程的钢闸门，应在原容许应力基础上乘以调整系数0.90～0.95，对于该工程取用0.90，所以调整后的容许应力为[σ] ′=0.90×235 MPa=211.5 MPa。滚轮结构采用ZG270-500中碳铸钢，屈服强度[σ]=270 MPa。经计算所得的钢闸门整体受力如图3所示。

图3 钢闸门整体受力云图

1）面板

由面板背水侧等效应力云图可知，在设计水位工况下，面板最大等效应力为27.2 MPa，出现在面板背水侧1号主梁与4号竖向次梁连接处。面板的最大等效应力小于Q235钢的屈服强度，面板强度满足要求。

2）主横梁

由主横梁等效应力云图可知，在设计水位工况下，主横梁的最大等效应力为53.5 MPa，出现在1号主横梁后翼缘跨中处。所有主横梁的最大等效应力均小于材料的屈服强度，主横梁强度满足要求。

3）横向次梁

由横向次梁等效应力云图可知，在设计水位工况下，横向次梁的最大等效应力为31.1 MPa，出现在1号横向次梁前翼缘跨中处。横向次梁的最大等效应力均小于材料的屈服强度，横向次梁强度满足要求。

4）纵梁

由纵梁等效应力云图可知，在设计水位工况下，纵梁的最大等效应力为75.1MPa，出现在1号滚轮滚轴末端与1号纵梁（边梁）接触处。纵梁的最大等效应力小于材料的屈服强度，纵梁强度满足要求。

5）滚轮

由滚轮等效应力云图可知，在设计水位工况下，滚轮的最大等效应力为75.1 MPa，出现在1号滚轮滚轴末端与1号纵梁（边梁）接触处。滚轮的最大等效应力小于材料的屈服强度，滚轮强度满足要求。

4.2 刚度校核

对于主横梁、横向次梁等受弯构件，对总体挠度计算结果进行刚度校核。根据《水利水电工程金属结构报废标准》[13]规定，对于露顶式钢闸门，横梁的最大变形与计算跨度的比值不应超过1/600。该闸门主横梁、横向次梁计算跨度分别取5.910 m和6.094 m，可知主横梁、横向次梁的最大变形容许值为9.85 mm和10.16 mm。

1）主横梁

各主横梁最大变形值如图4所示。主横梁的变形量大致从下至上逐步减小，主横梁最大变形为3.01 mm，小于变形容许值9.85 mm，闸门主横梁的刚度满足要求。

图4 各主横梁最大变形值

2）横向次梁

各横向次梁最大变形值如图5所示。横向次梁的变形值从1号次梁至5号次梁依次减小，在6号次梁处出现反向弯曲现象。横向次梁最大变形为3.29 mm，小于变形容许值10.16 mm，闸门横向次梁的刚度满足要求。

图5 各横向次梁最大总体挠度值

5 结语

文中所建立的滚动型钢闸门模型，考虑滚轮支承结构对钢闸门受力特性的影响，较为真实地反映钢闸门实际的空间受力情况。本文基于ANSYS对滚动型平面钢闸门进行三维有限元分析，对钢闸门主要构件进行强度和刚度校核，并对钢闸门滚轮结构进行精细模拟。计算结果显示，滚动型钢闸门主要构件满足材料强度、刚度要求，但在滚轮轴与门叶连接部位存在应力集中现象，在设计和制造过程中应予以重视。

结果表明基于ANSYS三维有限元分析适合对大中型水利工程的钢闸门进行强度、刚度复核，计算成果对钢闸门的设计、后期安全评价有一定的指导意义。