基于ABAQUS的翻板闸坝钢闸门自振特性有限元分析

2018-08-28黄冠权张建球

西部交通科技 2018年6期

黄冠权，杨琳，张建球

(1.广西北部湾国际港务集团有限公司，广西南宁 530028；2.广西交通科学研究院有限公司，广西南宁 530007)

0 引言

钢闸门作为挡水结构在治河工程中较为常见，保证其正常运行对河道治理意义重大。为保证水工钢闸门结构建设符合设计及相关规范要求，保证其工程质量，须对建设过程中和建成的水工钢闸门工程进行结构实体质量检测工作，其中，闸门结构振动特性的检测尤为重要。由于现场检测环境的复杂性，易导致结构振动特性检测结果受到干扰致使结论不准确。拟采用数值模拟分析的方法对实体检测结果进行辅助验证，以保证工程结构质量评价的准确性和可靠性。

1 工程概况

为提高河道的防洪能力，同时使河道在非汛期得到有效利用，某河段河道治理工程采用翻板闸坝形式，实现了对河道的生态化治理。其中，1#、2#、6#、7#翻板闸坝工程于2016年11月开工建设，2017年5月完工。为保证工程质量达到相关规范要求，工程检测单位对上述闸坝的相应参数进行了现场实体工程检测。

2 ABAQUS有限元数值模拟分析

ABAQUS有限元软件在人机交互方面具有强大优势[1]，ABAQUS/CAE提供的交互式图形环境及丰富的单元库，能让操作者非常简便地建立分析模型。且ABAQUS能自动选择合适的收敛准则，在模型运算时对参数进行调整，保证结果的收敛性和准确性。

动力学分析在现实生产生活中很常见，进行动力分析是ABAQUS的一个重要优势。工程结构具有多个固有频率，在结构设计阶段，避免结构的固有频率与可能的荷载频率过分接近是关键。在ABAQUS中，使用线性摄动分析步(Linear perturbation)来求解结构的振型和振动频率，操作简便。本研究运用ABAQUS线性摄动分析步方法对钢闸门固有振动频率和振型进行求解分析。

2.1 模型建立

参考相似工程的数值模拟分析案例[2-5]，本研究以2#翻板闸坝钢闸门门叶为例建立ABAQUS三维有限元模型。翻板钢闸门高3 m，宽6.4 m。以横梁方向为x向，纵梁方向为y向，水流方向为z向建立坐标系，以m为单位建立1∶1比尺的ABAQUS分析模型。固定钢闸门面板底部y方向位移和转角，以此模拟闸底板对闸门的约束；固定闸门面板两侧面x和z方向的位移和转角，以此模拟闸门槽对闸门的约束；对结构整体施加重力。面板及梁的材料均采用Q235钢，其力学性质见表1。

2.2 网格划分

钢闸门门叶由面板和纵、横梁组成，面板为规则六面体，采用Hex(六面体)形状网格划分；纵、横梁为槽钢结构，其腰腿连接处不适用Hex形状网格划分，在此采用Hex-dominated(六面体占优)形状网格划分，允许过渡区域出现楔形单元，使得网格在结构上分布均匀。

2.3 结果分析

2#翻板闸坝钢闸门门叶结构ABAQUS三维有限元模型建立完成后，提交作业进行模型自振特性分析。利用ABAQUS线性摄动频率提取分析步求解钢闸门的自振频率和振型，由于结构自振响应往往取决于相对较少的几阶振型，在这里计算钢闸门的前10阶振动模态。分析得到的2#翻板闸坝钢闸门门叶结构前10阶自振频率见表2，并列出前五阶具有代表性的钢闸门门叶结构振型及应力分布云图，见图1～5。

图1 一阶振型应力分布云图

图2 二阶振型应力分布云图

图3 三阶振型应力分布云图

图4 四阶振型应力分布云图

图5 五阶振型应力分布云图

分析各阶结构自振应力分布云图，可知：

(1)各阶振型下结构的最大应力均超过材料屈服强度，将导致结构发生塑性变形，大大降低材料的力学性能，造成结构局部失稳，进而影响钢闸门整体稳定性，导致结构破坏，失去闸门有效启闭、挡水泄水性能，最终使闸门不能按照设计强度进行工作。

(2)由结构各阶振型可知：一阶振型中，面板和纵、横梁沿迎水方向弯曲凹陷，变形以中心位置纵梁为轴成轴对称分布，处于结构对称轴附近的主梁和上下横梁出现应力集中现象且超过屈服强度；二阶振型中，面板和纵、横梁呈波浪形弯曲，变形以中心位置纵梁为轴成中心对称分布，最大应力为2.79E+4 MPa，处于左右两纵梁偏中心轴位置的主梁和上下横梁上，且超过屈服强度；三阶振型中，面板和纵、横梁发生弯曲和扭转变形，其中，接近闸门底部的左侧纵梁扭转变形最为严重；四阶振型中，面板发生波浪形弯曲变形，纵梁发生扭转变形，最大应力出现在上横梁与中心轴交接处；五阶振型中，局部变形发生在左右纵梁的第三截，为扭转变形，且出现应力集中现象，超过了材料的屈服强度。