基于流固耦合的立轴旋转钢闸门的应力应变分析

袁 尧， 李忠斌， 许旭东， 沈强儒， 杨 帆

(1.江苏省水利科学研究院， 江苏 南京 210017； 2.扬州大学， 江苏 扬州 225127；3.南通大学， 江苏 南通 226019)

立轴旋转钢闸门起开启和关闭孔口，调节上下游水位和流量的作用。立轴旋转钢闸门多用于中小型排水、防汛、灌溉等水利水电工程中，相较于传统钢闸门有着独特的优势，具有造价比较低、无上部土建设施、安装非常方便、后期检修维护便利等特点。立轴旋转钢闸门的闸板对称于轴心，所以开关时无需担心水的阻力，通过对开展立轴旋转钢闸门各工况下的应力应变的数值及分布影响的计算分析，可进一步减小立轴旋转钢闸门的材料用量，节省工程投资。万宇飞等[1]基于ANSYS Workbench平台的Fluent流体分析模块及Static Structural固体结构分析模块，针对露顶式平面钢闸门自由出流下水动力特性及闸门动态响应进行研究。陈扬[2]通过理论分析与有限元数值模拟的方法，对比分析闸门不同开度下的振动特性。黄勇等[3]研究了闸下淹没出流、考虑水体与弧门耦合作用时，弧形闸门的不同开度对流场的瞬态流速、近壁水体动压力的变化规律。本文采用单向流固耦合方法，计算和分析了不同工况时立轴旋转钢闸门的应力应变特征，可为立轴旋转钢闸门的实际运用提供参考。

1 流场计算模型

1.1 固体模型和网格划分

立轴旋转钢闸门的长宽比为1∶1，厚度是宽度的1/10。利用三维建模软件对立轴旋转钢闸门进行三维建模，立轴旋转钢闸门的三维模型如图1，对立轴旋转钢闸门的固体计算对象进行非结构化网格划分，立轴旋转钢闸门的网格单元数为66 468个，立轴旋转钢闸门的结构网格如图2。

图1 立轴旋转钢闸门三维模型

图2 立轴旋转钢闸门的结构网格

1.2 流体域和网格划分

利用三维建模软件对流体域进行三维造型，流场三维模型如图3(a)，采用混合网格划分的方式对流场进行网格划分，网格单元数为3 714 349个，流场的网格划分结果如图3(b)，立轴旋转钢闸门的壁面处边界层网格如图3(c)[4-10]。

图3 立轴旋转钢闸门流场计算模型及网格

1.3 边界条件

对立轴旋转钢闸门的流场进行三维定常的流场数值模拟，选用标准k-ε湍流模型封闭流动控制方程。考虑到渠道内流动的实际情况，流场上自由液面设置为对称边界条件；进水断面设置为进口边界条件，给定入口流量为660 L/s；出水断面设置为自由出流边界条件，设置相对压力为1 atm；其余面都设置为壁面条件，收敛残差设置为10-4。

钢闸门材料Q235钢，其材料参数为：弹性模量E=206GPa，泊松比μ=0.25，密度ρ=7 850 kg/m3。立轴旋转钢闸门固体边界条件分为载荷和约束，其中载荷有自身重力带来重力加速度引起的惯性荷载、流体的压力作用于闸门结构的流固耦合面上产生的结构荷载[11-13]；约束包括下支承座(只约束径向和切向，允许轴向上的移动)与联轴器端面(约束该面上的所有移动)。

根据工程实际运行情况，选取3种工况对立轴旋转钢闸门进行流固耦合数值模拟，工况参数如表1所示。

表1 各个模拟工况参数

2 计算结果与分析

2.1 立轴旋转钢闸门的应力分布

不同工况时立轴旋转钢闸门的应力云图如图4所示。3个工况时立轴旋转钢闸门表面应力分布相对均匀，相对集中应力发生在下支撑处和联轴器端面附近，最大应力均发生在联轴器端面；工况1时，立轴旋转钢闸门的最大应力为20.06 MPa，工况2时，立轴旋转钢闸门的最大应力为16.6 MPa，工况3时，立轴旋转钢闸门的最大应力为11.4 MPa。工况2时，立轴旋转钢闸门上下游均有水，立轴旋转钢闸门的两面承受的静水压力互相抵消了部分，则应力比工况1时小；工况3为立轴旋转钢闸门全开时，立轴旋转钢闸门表面主要受到水流荷载冲击，因此应力比工况2时小，工况1为应力分布最不利的工况。

图4 不同工况下立轴旋转钢闸门的应力云图

2.2 立轴旋转钢闸门的应变分布

图5为不同工况时立轴旋转钢闸门的应变云图。工况1和工况2时，立轴旋转钢闸门处于关闭状态，应变分布规律一致，静水压力对闸门的影响为主要因素，立轴旋转钢闸门的最大变形发生在闸门中间位置，变形量由中间向四周逐渐减小。立轴旋转钢闸门在工况1时，最大变形量为0.076 mm，在工况2时最大变形量为0.0549 mm；在工况3时，立轴旋转钢闸门的自重和水流动的冲击荷载占主要影响，立轴旋转钢闸门的最大变形发生在闸门的两侧，最大变形量为0.0172 mm。工况1为立轴旋转钢闸门运行时应变分布最不利的工况。

图5 不同工况下立轴旋转钢闸门的应变云图

图6为不同工况时立轴旋转钢闸门的最大应力和最大应变曲线，工况1时立轴旋转钢闸门产生了较大的应力集中与应变，最大应力值为工况3时立轴旋转钢闸门最大应力值的1.75倍，且工况1时最大变形量为工况3时立轴旋转钢闸门的4.4倍。各工况时较大的应力集中区均发生在立轴旋转钢闸门的下支撑处和联轴器端面，最大应力值均小于材料的屈服强度，从节省工程投资的角度，可选用强度略低的材质。

图6 各工况时立轴旋转钢闸门的应力应变变化曲线

3 结 论

(1)在各计算工况下，立轴旋转钢闸门表面应力分布相对均匀，应力集中在闸门下支撑处和联轴器端面；在上游水深1.0 m，下游无水时，相对集中应力最大。

(2)在立轴旋转钢闸门关闭时，最大变形发生在立轴旋转钢闸门中间区域，且从立轴旋转钢闸门中间区域向闸门边缘处变形量逐渐减小；在立轴旋转钢闸门开启时，立轴旋转钢闸门两侧受到水流的冲击而产生最大变形。

(3)通过对立轴旋转钢闸门的多工况流固耦合分析，不同工况时立轴旋转钢闸门的变形量、应力值的分布情况均不同，但相对较小，立轴旋转钢闸门的最大等效应力都低于材料的屈服强度，立轴旋转钢闸门结构设计满足强度要求，在满足规范和强度要求的条件下，可选用强度更低的材料，以节省闸门造价。