基于ANSYS workbench的哈达山溢流坝弧形闸门受力分析

杨 微 刘 彬

(松辽水利委员会水利工程建设管理站，吉林 长春 130012)

1 引 言

哈达山水利枢纽工程地处吉林省境内的第二松花江下游地区，距离嫩江和第二松花江交汇口60km左右，是第二松花江上最关键的控制性工程。哈达山枢纽主要为吉林西部地区农业生活和工业生产供水，同时具有水力发电、生态供水等功能。哈达山水利枢纽的溢流坝布置在枢纽左岸的主河道上，全长297.5m，溢流坝共分16孔道，其中单孔净宽为16m，溢流坝设置有弧形工作闸门，弧形闸门的设计水头为6.6m。闸门建设完成后已安全运行多年，为再次检验弧形闸门的强度状况，对溢流坝弧形工作闸门进行有限元分析计算，从理论上了解弧形闸门各构件的薄弱情况，为下一步开展安全检查工作奠定基础。

本文使用的有限元分析软件为ANSYS Workbench 16.0，弧形闸门受力计算时以弧形闸门的设计水头6.6m为计算工况，按照三维建模—模型导入—模型参数设置—分析结果验证等程序完成弧形闸门的有限元受力分析。

2 模型及参数

2.1 闸门模型的建立

依据弧形闸门原始设计图纸的尺寸，按照1∶1的比例建模，应用Creo 2.0三维设计软件，按照相关规范要求，准确建立哈达山弧形闸门的三维模型，见图1、图2。

图1 弧形闸门挡水面

图2 弧形闸门背水面

2.2 有限元模型的设置

2.2.1 模型的导入

将Creo 2.0软件中建好的弧形闸门三维模型，转换成.step格式，经修正后导入到Workbench-Static Structural模块中，导入后的模型定义水流上游到下游方向为X轴正方向，闸门高度方向为Y轴正方向，闸门宽度方向为Z轴。经过模型修改及验证，模型精度可供后续分析使用，导入Workbench修正后的三维模型图见图3。

图3 Workbench修正后的弧形闸门

2.2.2 有限元网格的划分

弧形闸门有限元模型单元体有以下两种选择：选用solid45单元体或shell63单元体。其中solid45单元体的优点是模型的细节体现比较好，缺点是计算量较大，适合计算较复杂的空间几何体，即建立三维实体有限元模型。shell63单元体的优点是计算量较小，缺点是无法体现焊接等细节部分，即建立三维片体有限元模型。本文的有限元模型单元体选用solid45单元体，对模型进行有限元网格划分，以提高受力分析精度。模型有限元网格划分完成后，网格质量符合分析要求，模型最终被划分成314515个单元。

2.2.3 模型尺寸及材料特性

模型尺寸参数依照闸门设计图纸尺寸绘制，弧形闸门已运行使用多年，复核时应对弧形闸门的许用应力进行折减。通过查阅《水利水电工程金属结构报废标准》(SL 226—1998)和《水利水电工程钢闸门设计规范》(SL 74—2019)，折减系数取为0.90。弧形闸门材料设计为Q345C碳素钢，根据规范，当材料厚度δ不大于40mm时，许用应力为202.5MPa。泊松比μ设为0.3，弹性模量E设为2.06×105MPa，材料密度为7810kg/m3。支铰座材料设计选用ZG310-570，当材料厚度δ不大于100mm时，其许用应力值为121.5MPa。

2.2.4 模型约束设置

在闸门实际运行中，弧形闸门底部受到地面铅垂方向的支撑约束，在Workbench中选用Displacement进行约束；闸门的两个支铰座受到轴向和径向固定、转动自由的铰支约束，在Workbench中选用Cylindrical Support进行约束；模型的所有节点均设置为自由节点。模型约束设置情况见图4。

图4 弧形闸门约束的设置

2.2.5 模型载荷加载

在考虑弧形闸门受到的载荷时，闸门自重和静水压力为模型的主要载荷。在Workbench分析计算时，按照闸门的设计水头6.6m加载静水压力，模型选用Hydrostatic Pressure进行加载，模型载荷加载情况见图5。

图5 模型载荷加载图

3 弧形闸门有限元计算结果

经过建立模型和有限元设置后，应用Ansys Workbench展开计算分析，得到弧形闸门各构件的最大当量应力值和最大变形情况结果，见表1。图6～图27为弧形闸门整体受力及变形情况和各主要构件在设计水头载荷作用下的受力和变形结果。通过对有限元运行结果的整理可知，弧形闸门的面板、顶梁、底梁、主横梁、次横梁、边梁、纵梁、支臂和支铰座等构件的最大当量应力值均小于弧形闸门设计使用材料Q345C碳素钢的校核许用应力值，各构件的最大变形也小于校核许用值。有限元分析计算结果表明，弧形闸门各构件的受力及变形理论上均符合原始设计的要求。

表1 弧形闸门各构件最大应力及变形情况

由表1有限元计算结果可知，弧形闸门最大当量应力为111.86MPa，位于支臂上；闸门变形最大位移为3.51mm，位于次横梁上。弧形闸门支臂位置处受力最大，其次为上主梁和下主梁，顶梁和边梁受力最小。弧形闸门位移形变量最大处为闸门面板和次横梁的中间部位，其次为闸门上、下主梁和中纵梁的中间部位，闸门支铰座的变形量最小。

3.1 弧形闸门整体计算结果

弧形闸门整体计算结果见图6、图7。

图6 弧形闸门当量应力图

3.2 弧形闸门各主要构件计算结果

图8～图27分别为弧形闸门的面板、主梁、纵梁、次梁、支臂、支臂桁架及连接板和支铰座等主要构件的有限元计算结果分布图。其中，闸门受力单位均为MPa，变形位移单位均为mm。

图8 闸门面板当量应力图

图9 闸门面板位移图

图10 主梁/纵梁/次梁当量应力图

图11 主梁、纵梁、次梁位移图

图12 主梁前翼板当量应力图

图13 主梁前翼板位移图

图14 主梁腹板当量应力图

图15 主梁腹板位移图

图16 主梁后翼板当量应力图

图17 主梁后翼板位移图

图18 纵梁当量应力图

图19 纵梁位移图

图20 边梁当量应力图

图21 边梁位移图

图22 支臂当量应力图

图23 支臂位移图

图24 支臂桁架及连接板应力图

图25 支臂桁架及连接板位移图

图26 支铰座应力图

图27 支铰座位移图

4 有限元分析结论

根据ANSYS Workbench有限元计算结果，得到了弧形闸门在静水压力荷载下各构件的应力大小和变形情况。比较闸门各构件的有限元计算结果与材料的许用值能够得出以下结论：弧形闸门的各构件，包括面板、顶梁、底梁、主横梁、次梁、边梁、纵梁、支臂等的最大当量应力值均小于闸门设计材料Q345C的校核许用应力值，各构件的最大变形量也均满足许用刚度的要求。因此，经有限元计算该弧形闸门构件的最大应力、应变理论上均符合相关要求，后续可根据有限元计算结果，对闸门各构件薄弱部位开展针对性的检测。