基于有限元法的3 200 kN双向门机结构强度仿真分析

刘 剑 边 江 李 冰

（1.郑州新大方重工科技有限公司，郑州 450052；2.华北水利水电大学，郑州 450011）

水利工程大吨位双向门机是一种专门用于启闭水工闸门的起重机械，在水利建设工程中发挥着重要作用。它的结构安全性和运行可靠性，直接影响水利工程防洪排涝、调水供水、灌溉、发电以及航运等综合效益的发挥，同时关系水利工程的运行安全和人民生命财产的安全[1-2]。某水电站进水口3 200 kN双向门式启闭机（以下简称门机）安装在坝顶平台，属于无悬臂龙门起重机，高度为45.23 m，跨度为24.60 m，最大起升载荷为3 200 kN，运行载荷为1 600 kN，主要用于机组检修闸门和拦污栅及泄洪闸检修闸门的启闭与吊运。门机设有独立运行的小车。小车内设主起升机构。小车机房内顶部设一台电动葫芦，可用于坝面零星物品的吊运。

1 3 200 kN双向门机参数及工况分析

1.1 双向门机参数

门机由大车行走机构、门架机构、小车机构、电气设备、起重装置、液压抓梁和液压清污耙斗等结构组成，总质量约为407 t，具体参数如表1所示。

表1 主要技术特性

1.2 双向门机工况分析

运行中，此3 200 kN双向门机主要包括门机有风起升工况、走行工况及非工作状态3个工况。

1.2.1 门机有风起升工况载荷

门机有风起升工况载荷主要包括自重荷载、起升荷载和风荷载。其中，门机自身质量为407.16 t，最大起升载荷为3 200 kN。正常工作下的风压按照250 N·m-2来计算风荷载，即[3]

式中：Pw为作用在或吊重上的风载，N；C为风力系数；Kh为风压高度变化系数，工作状态时取1；q为计算风压，N·m-2，正常工作时取250 N·m-2；A为启闭机或吊重垂直于风向的迎风面积，m2。

由于门架箱梁结构，主箱梁迎风面高度为2.5 m，间隔4.8 m。依据《起重机设计手册》，η=a/h=4.8/2.5=1.92≤4，则η取为0，即风被完全遮挡[4]。在最不利工况时，单根主支腿、主横梁、机箱、起升物风载荷依次为16 986 N、21 525 N、9 936 N、22 500 N。

1.2.2 风载走行工况载荷

风载走行工况载荷主要包括自重荷载、走行荷载、启闭机惯性力、风荷载和偏斜走行的侧向力[5]。其中，门机自身质量为407.16 t，走行荷载为1 600 kN，启闭机惯性力为59 853 N，起升物风载荷为13 500 N。偏斜走行的侧向力是在大车运行机构跑偏时，轨道侧面与车轮边缘或水平导向轮之间产生水平侧向力，对起重机车轮及其轴承有不良影响，值为208 800 N。

1.2.3 非工作状态载荷

非工作状态载荷主要包括自重载荷和非工作状态的风荷载。其中，门机自身质量为407.16 t，非工作状态下的风压取800 N·m-2，由于门架箱梁结构，主箱梁迎风面高度为2.5 m，间隔4.8 m。依据《起重机设计手册》，η=a/h=4.8/2.5=1.92≤4，则η取为0，即风被完全遮挡。在最不利工况时，单根主支腿、主横梁、机箱风载荷依次为63 052 N、97 121 N、47 057 N。

2 门架有限元模型

采用三维软件对此双向门机进行建模，以x_t文件格式导入Workbench软件。在主要构件保持与图纸一致性的前提下，对不影响门架主结构变形的次要部件进行一定的简化，省略小车运行机构、机房以及所有螺栓螺母等，相应结构自重以载荷的形式施加到门架上，整体模型如图1所示。

图1 三维实体模型

应用有限元软件ANSYS（V17.0）进行有限元分析，划分的单元数目为520 755个，节点数为2 110 064个。为了节省计算资源，各零件、板件之间通过设置BONDED接触来实现受力传递[6]。门架空间坐标系XYZ中，X轴指向水流方向，Y轴指向竖直重力方向，Z轴指向水流垂直方向。

门架各板件之间大部分使用固定连接（BONDED CONNECTION），4个支腿地面位置施加固定约束（FIXED SUPPORT），约束各向方向自由度，同时将载荷施加到门架相应位置进行复核计算，如图2所示。

图2 门架边界条件示意图

3 各工况下门架有限元分析结果

3.1 工况一：风载起升工况复核结果

有风满载起升时，门架的有限元分析结果如图3所示。可见，门架最大应力为121.98 MPa，发生在中间联系梁，小于[σ]=176.69 MPa，满足规范要求。

图3 门架整体应力云图

3.2 工况二：风载走行工况复核结果

在正常风载状态下，大车吊荷载走行，其有限元分析结果如图4所示。可见，门架最大应力为100.96 MPa，发生在支腿与中间横梁连接处，小于[σ]=176.69 MPa，满足规范要求。

图4 门架整体应力云图

3.3 工况三：非工作状态

在非工作状态下，门架不工作，其有限元分析结果如图5所示。可见，门架最大应力为240.7 MPa，发生在支腿与中间横梁连接处。此处，板厚为12 mm，在顶端属于应力集中现象，主要是由于支腿内未添加任何加强筋板，侧向受风后支腿刚度不够，变形量过大，导致计算结果失真。

图5 门架整体应力云图

4 结语

通过对门架进行有限元仿真分析，确保了门架结构在各计算工况下的整机安全性。利用ANSYS软件的结果后处理技术，得到了门架主梁、支腿等局部重要结构的应力分布云图，方便定位应力极值区域，保证了结构局部安全性。后续将进一步研究门机模型简化对计算结果的影响，以提高所得仿真结果的准确性。目前，较为合理的使用方式是将有限元仿真分析结果和数据采集系统的实测结果进行比对，二者互为参照，相辅相成，共同构成门机的安全评估体系。