平板闸门的三维静动力分析

魏雨露

摘    要：平板闸门结构简单，制造、安装、维修方便，安全可靠度高，在水利水电工程中普及率最高，但其在启闭过程中常常会发生振动，严重时会引起闸门及周围建筑物破坏。故本文将有限元的思想引入闸门分析计算中，利用有限元软件workbench建立了平板闸门的模型，并结合工程实际情况对其进行静动力分析，探讨流固耦合效应与预应力对闸门自振频率的影响。

关键词：平板钢闸门;有限元;ANSYS建模;静动力分析

1  引言

在世界范围内的水利水电工程中，平板钢闸门使用最早，范围最广[1]。平板闸门是一种三维立体结构，按平面问题进行分析虽然简单易行，但很不精确。因此需要一种能够对荷载及边界约束进行逼真模拟，准确反映整体结构和各部分相互协调的分析方法。按空间体系进行设计，即空间有限元法，能够综合考虑闸门的性能，对闸门的荷载和约束进行较为精确的仿真计算[1]。

2  平板钢闸门有限元分析原理与建模

2.1  平板钢闸门有限元假设

平板钢闸门是一个完整的空间结构体系，外力及荷载由闸门全部组成构件承担，需采用空间有限单元法进行计算。平板钢闸门可看作板梁组合的结构体系，对闸门进行单元划分和有限元分析时，相邻的板单元与梁单元存在相同的结构节点，且需做出一些假定。

2.2  闸门三维建模

闸门为潜孔式平板钢闸门，面板厚度0.025m，高5.4m，荷载跨度为5.0m，计算跨度4.94+0.2×2=5.34m。根据闸门的结构布置，设置X轴为沿主梁、次梁横轴方向;Y轴沿边梁，垂直次梁的方向;Z轴为水流方向;零点定为闸门底部。荷载只考虑静水压力及闸门自重;约束在闸门底部加竖直向连杆约束，即Y向约束;在闸门的两侧滑块处顺着水流方向有Z向约束作用;在闸门最上方中心中有X向约束，防止闸门在X向有位移。

在此基础上使用ANSYS软件建立闸门模型，如图1。主要应用壳体单元SHELL181单元和梁单元BEAM188。

3  平板钢闸门的动静力分析

3.1  静力分析

3.1.1  应力分析

由面板最大主应力云图可以看出，面板应力主要发生在与各梁的接触面处，最大主应力发生在与第五主梁的接触面处。由于静水压力及应力集中的原因，最大主应力发生在下部滑块约束附近。最大主应力为57.22MPa，远小于容许应力160MPa。

主梁与次梁最大正应力可知，各主梁与次梁的最大正应力从上到下依次增大，最大正应力发生在第五主梁和第四次梁中间，分别为143.49MPa和63.45MPa，这主要是随着水深的增加静水压力逐渐增大导致的。另外，第二主梁最大正应力相对其余主梁发生突变，这是由于其所处位置有滑块约束造成了应力集中;次梁应力呈对称分布，各梁的最大应力均发生在中间位置两侧，这是由于中间位置与竖直次梁相连造成的。

3.1.2  变形分析

由面板最大位移云图可知，面板最大位移为4.04mm，小于规范中允许的最大位移：主梁7.12mm，次梁5.34mm，满足刚度约束，最大位移发生在与第五主梁和底横梁接触面的中间位置。主梁与次梁顺水流方向（Z向）的最大位移，从上到下最大位移逐渐增大，发生在第五主梁中间位置和第四次梁中间位置，分别为3.7mm和3.74mm，满足刚度要求。

3.2  动力分析

3.2.1  流固耦合效应对闸门振动的影响

进行动力分析时，将对闸门工作状态（静水）下的受力情况进行模拟，将水体与闸门面板的接触面定义为流固耦合，水体的高度为闸门的校核水位高度。闸门在空气中（不考虑流固耦合效应）与水中（考虑流固耦合效应）的前十阶自振频率[2]见图2，分析得出如下结论：

平板闸门在静水中的自振频率相较于空气中明显降低。这是因为考虑了流固耦合效应后，除静水压力外，在闸门振动时还在水流方向受额外约束。因此，闸门在水流方向的振动幅度下降，表现在振动频率上则是闸门的固有频率明显降低，尤其是前几阶下降尤为显著。同时由于结构在动荷载下的响应很大程度上取决于结构前几阶的固有频率，故在进行闸门设计时，流固耦合效应不可忽略。

3.2.2  预应力对闸门振动的影响

为了确定预应力对闸门振动的影响，对闸门在空气中只考虑自重也进行了动力分析。由图5可知，闸门的荷载主要影响其高阶固有频率，对结构的低阶固有频率的影响基本可以忽略，因此在闸门的设计过程中，可不考虑预应力对闸门振动的影响。

4  结束语

本文利用有限元软件workbench对平板闸门进行静动力分析。在静力分析的过程中，主要考虑了闸门的自重及静水压力。在动力分析的过程中，主要探讨了流固耦合效应与预应力对闸门振动的影响，并得出以下结论：

（1）通过有限元分析软件可以较好的对平板闸门进行三维分析，計算结果比较精确，在静力分析的过程中，可以对平板闸门的设计在强度与刚度两个方面的进行校核，优势巨大。

（2）流固耦合效应对闸门的振动影响明显，预应力则基本没有影响，因此，在平板闸门的设计中，必须进行考虑流固耦合效应下的动力特性分析。若只按静力准则进行设计，闸门在工作时会有共振破环的危险。

参考文献：

[1] 贾震.平板闸门参数化有限元分析及结构轻量化设计[D].北方工业大学，2015.

[2] 张学森.基于流固耦合数值模拟的深孔平面钢闸门底缘结构型式研究[D].西北农林科技大学，2011.