基于Ansys Workbench的流固耦合下不同开度弧形闸门应力变形分析研究

田国政

(新疆维吾尔自治区乌鲁瓦提水利枢纽管理局， 新疆 和田 848000)

我国水利工程事业蓬勃发展，为国家及人民幸福生活提供了重要水利推动力，水利工程中闸门是重要的控水调水设施，其安全运营能极大确保水利工程长久稳定发挥作用[1-2]。闸门由于不同地区使用条件以及设计尺寸差异，造成闸门会受到水流破坏及结构失稳，因而研究多样性的闸门对丰富闸门设计及安全运营具有重要意义[3-4]。研究闸门结构特性有些学者与水利工程师基于现场观测，在水利工程大坝面板等重要结构部位安装应力或应变计，根据现场监测数据分析闸门结构与安全运营之间的关系[5-6]。国内也有一些水利专家通过室内模型试验，获得闸门模型在室内实验室的结构应力变形特征[7-10]。除此之外，亦可采用数值模拟手段，基于闸门现场实际运营状态，建立数值模型[11-13]，计算出闸门在复杂耦合场中的结构特性，为水利工程中闸门高效安全运营提供重要参考。

1 工程概况

某水库枢纽工程承担区域内水资源调度及防洪等重要民生作用，惠及农田面积超过66.67 hm2，年调水达1.2亿m3，设计库容为3亿m3，设计水位为158 m，洪水位为165 m，包括有长约为5580 m的防洪堤坝，坝身设置有止水面板结构防渗，坝基与覆盖层修建有80 cm厚的防渗墙，大坝顶部高为205 m，上下游坡度约为0.4～0.6。大坝另修建有弧形闸门，直径设计尺寸为16 m，中间连接铰高程为152 m，设置有横梁作为闸门承重结构，纵梁作为闸门启闭机控制梁，两端连接有水平支臂，其侧面图与俯视图如图1所示，闸门启闭以液压式卷扬机控制，启闭速度控制精度较高，闸孔为30 m2截面积的正方形孔，在闸门下游地带设置有消力池及陡坎等水工设施，陡坎高程为148 m，水道以素混凝凝土浇筑整平，闸室内底部铺设钢筋混凝土，高程相比坝体覆盖土层高1.2 m，根据现场监测资料知该枢纽水利工程各部分结构渗漏量较低，渗流稳定。

现场地质勘察表明，局部地表存在有地质褶皱带，夹层内含有破碎岩屑，与本工程相关的上覆土层为第四系堆积土体，包括有人工种植土与粉质黏土、砂砾层及人工砂石垫层，人工种植土为水库大坝修建之时从距离工程现场4.5 km处搬运过来，目前土体密实性较好，厚度最大为2.3 m，含水量不高，承载能力亦较弱，达不到闸室地基要求；粉质黏土层分布范围较广，厚度约为2.5～5.2 m，局部可塑，含水量为36%，承载力相比人工种植土要高，但仍然处于较低水平；砂石垫层渗水性较高，颗粒粒径最大为12 mm，与砂砾层错综交织；闸室基础埋深5.6 m，位于下伏基岩中风化大理岩上，延绵范围占到大坝整个基岩层的80%，完整性较好，标准承载力可达280 kPa；地下水稳定埋深在1.35～6.85 m。

图1 弧形闸门视图

2 闸门数值结果分析

2.1 模型建立与荷载约束

利用Ansys Workbench选择壳体单元作为闸门单元体模型，以三维壳体SOLID187作为模型基本单元体，具有3个自由度，模型材料参数设定为闸门的原材料Q345钢参数，以六面体网格单元划分，在局部结构接触连接区域密集划分，模型共获得单元数198 676个，节点数254 826个，建立的数值模型如图2所示。边界约束荷载设定为闸门自重与水位压力，连接杆构件转换成材料力学中铰接、固定端等形式，变形自由度个数亦以此为准。

图2 数值模型图

图3 闸门铰支座与吊支座反力变化特征曲线

2.2 计算结果

2.2.1 支座反力

图3为不同开度闸门铰支座与吊支座反力变化特征曲线。铰支座作为闸门自重传递至闸墩与闸基础的关键连接件，随着闸门开度增大，铰支座反力值逐渐减小，最大铰支座反力出现在开度为0时，达到22 034.0 kN，开度值为5.0时，铰支座反力降低了86.7%，仅为2931.0 kN。表明闸门处于较小开度时，铰支座承受荷载水平较高，闸门结构设计之时应考虑增大小开度下铰支座刚度承载能力。吊支座反力表征了闸门启闭程度，从图中各开度下吊支座反力来看，随开度增大亦是逐渐减小，开度为5.0时，吊支座反力达568.3 kN，其仅为开度0的5.0%。分析是由于开度愈大时，水闸过水断面积愈大，导致水流对闸门水压力作用减小，而与水流压力有平衡关系的支座反力亦会降低。对比铰支座反力与吊支座反力两个特征反力参数，可看出开度为0时，铰支座反力足足为吊支座反力的20倍，而闸门增大开度至5.0时，两者之间差距为5倍。分析表明闸门开度较小时，吊支座需承担的作用力较小，故铰支座反力与其相差较大水平；当闸门开度增大时，吊支座反力势必需要提供更大的开启作用力，缩小了与铰支座反力的差距。

2.2.2 变形特征

限于篇幅，以开度0、1.5、3.0、5.0开展变形分析，图4为各开度下闸门Z方向变形特征云图。从图中可看出，不论是在闸门面板结构处亦或是支臂连接杆，位移值均随开度增大而逐渐减小，开度0时最大位移为5.375 mm，出现在闸门面板下底部区域，而开度5时最大位移为1.616 mm，降低幅度达70%，且其最大位移区域分布范围相比小开度下，仅局限在闸门面板Y向最底部区域，在支臂连接杆构件上位移值以0.004～0.362 mm为主，而开度0下连接杆构件上位移值0.635～1.820 mm。分析指出闸门开度愈大，面板上位移值愈小，且支臂连接杆件上位移亦愈小，其位移方向以径向为主。对比铰支座与吊支座位移值可看出，铰支座最大位移值为0.320 mm，位于铰支座板边缘，且各工况开度值下铰支座最大位移为0.280～0.320 mm，位移量水平均较低；吊支座支臂的最大位移相比要高3倍，达到1.310 mm，为开度0工况下。表明闸门铰支座Z向位移值受闸门开度影响较弱，而吊支座支臂上Z向位移由于控制闸门启闭影响，Z向位移受此影响较大。

图4 闸门Z向变形特征云图

图5为各开度下闸门X方向变形特征云图。从图中可看出，开度0下X向最大位移值为5.375 mm，位于闸门面板边缘区域，且各开度值最大位移均位于此，随开度值增大，X向位移值亦是逐渐降低，减小态势与Z向位移值具有一致性，但X向位移0.180～0.362 mm位移区间包络范围随开度值增大，包络范围愈广，面板上X向位移分布在小开度下时呈大位移骨架分布，当大开度时面板上位移区间值不见显著隔断性，只见层次性分布，自上而下逐渐增大，直至在面板下部的骨架位移区间范围内。

2.2.3 应力特征

图6为不同开度下应力特征参数值变化曲线，从图中可看出，拉应力值最大为132.28 MPa，在开度值为0.5～3.5区间内，拉应力值较为稳定，处于117.2～119.3 MPa区间内，拉应力值最小是开度5.0工况下，其最大拉应力为开度0下的76%。最大压应力与等效应力均是随开度值增大逐渐减小，最大压应力与最大等效应力分别为201.48 MPa、184.27 MPa。

图5 闸门X向变形特征云图

图6 应力特征参数值变化曲线

图7为闸门Z向等效应力分布图，从图中可知，开度0时等效应力值最大，为各工况中最大值，达184.27 MPa，位于支臂连接杆件与铰支座连接界面，开度值1.5与3.0时最大等效应力相比开度0时减少了28.8%、36.8%，虽等效应力值随开度增大均有一定程度降低，但最大等效应力所在闸门位置并未发生变化，仍然存在于支臂杆与铰支座接触面。不可忽视的是，开度为5.0时，其最大等效应力下降了48.7%，仅为95.7 MPa，但其最大等效应力位置位于闸门面板与承重梁连接接触面处。对比闸门各部分结构应力值，可看出闸门的下连接支撑杆件应力分布要高于上连接构件，开度0时下部支撑杆件Z向等效应力达143.32 MPa，而上部杆件最大等效应力为61.44 MPa，且这种下部支撑杆件高于上部的现象在开度值1.5、3.0、5.0工况中均是如此。

图8为闸门X向等效应力分布图，X向最大等效应力值与Z向一致，各开度下亦是逐渐降低，随着闸门开度值增大，X向等效应力低应力区间分布愈广，闸门开度值增大，闸门受水流压力愈小，但从应力云图亦可看出在大开度下等效应力值分布仅存在于面板下部连接杆件区域处，其最大等效应力亦位于此，即面板下部连接杆处X向等效应力值始终存在。

图7 闸门Z向等效应力分布图

图8 闸门X向等效应力分布图

3 结 论

针对某水利枢纽工程中弧形闸门在流固耦合场中应力变形特征，引入流固耦合分析理论与Ansys Workbench数值计算平台，建立计算模型，得到了耦合场中闸门以下几点结论与认识：

(1)研究了闸门铰支座与吊支座反力变化特征均随开度值增大而逐渐减小，开度值为5.0时，铰支反力与吊支座反力相比开度值0下分别降低了86.7%、95.0%，分别为2931.0 kN、568.3 kN；闸门开度较小，两反力特征参数相差较大，大开度时更大的启闭作用力导致两个反力间差距缩小。

(2)分析了不同开度下闸门Z向、X向变形特征，位移值均随开度增大而逐渐减小，开度0时Z向最大位移为5.375 mm，开度5.0时降低幅度达70%，X向最大位移均位于面板边缘；闸门开度愈大，面板上位移值愈小，且支臂连接杆件上位移亦愈小。

(3)获得了不同开度下应力值变化特征，拉应力值最大为开度0下的132.28 MPa，开度5.0最大拉应力仅为前者的76%，最大压应力与最大等效应力分别为201.48 MPa、184.27 MPa，应力特征参数均随开度值增大而降低；低开度下最大等效应力位于支臂连接杆件与铰支座连接界面，大开度下位于闸门面板与承重梁连接接触面。