闸门结构强度有限元分析

康 健，冀振亚，胡 博，耿长兴，刘 彬

（水利部长春机械研究所，吉林 长春130012）

1 引言

闸门是水利工程的关键枢纽，使用过程中在各种外力的综合作用下闸门内部会产生应力、应变，因此，闸门结构强度直接关系到整个水利工程的可靠性和安全性[1～3]。闸门结构的主要的特点是零件种类繁多、结构复杂，普通的强度计算方法只能从数值上反映闸门的强度情况，但反应不出在闸门内部的应力、应变分布和响应情况，更反映不出在外力的作用下闸门各部分的具体变形情况[4～6]。故有必要对闸门进行有限元模拟仿真，以观察、分析在受外力作用时闸门内部结构应力、应变的分布情况和变形情况，本次有限元分析计算的具体工况为：工作闸门在设计水头（13.584m）的工况。

2 闸门三维建模

依据现有闸门方案设计图在Pro/E中建立闸门的三维模型，如图1和图2所示。

图2 闸门背水面视图

3 闸门有限元仿真

3.1 导入闸门模型并选择单元体

将建好的闸门Pro/E模型以step格式导入ANSYS软件中，如图3所示，经过对比验证，导入模型正确。

图3 ANSYS中闸门模型

闸门的仿真分析有2种实现方式：（1）三维实体有限元模型，使用solid45单元体，优点是模型细节体现较好，缺点计算量较大，适合计算复杂空间几何体；（2）三维片体有限元模型，使用shell63单元体，优点是计算量较小，缺点是无法体现例如焊接等细节部分。为提高分析精度，本闸门仿真分析选择solid45单元体，通过网格划分，共划分成29868个单元。

3.2 材料特性及约束处理

结构尺寸按设计图纸取用，鉴于工作闸门运行状况，按照《水利水电工程钢闸门设计规范》SL74-2013和《水利水电工程金属结构报废标准》SL226-98，对许用应力均进行折减，折减系数取0.95。闸门结构的材料为Q345B碳素钢，其许用应力为：213.75MPa（δ≤ 16mm），213.75MPa（δ＜16～40mm）；支铰部分的材料为ZG310-570，其许用应力为：128.25MPa。取弹性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3。

闸门底部受到铅垂方向的支撑约束，两支铰处采用轴向和径向固定、转动自由的铰支约束，除此之外，所有节点均为自由节点，具体约束施加位置如图4所示。

图4 闸门约束图

3.3 载荷的确定及施加

计算载荷主要考虑在闸门上的静水压力和闸门自重，有限元计算时按照设计图纸上的计算水头13.584m计算，载荷加载方式如图5所示。

图5 载荷加载示意图

3.4 结果分析

为了更加清晰、直观的反应在闸门受到外力作用时，闸门整体结构及各构件内部的应力应变分布情况、变形情况，在此用ANSYS软件对闸门总体结构及面板、顶梁、底梁、支臂等主要构件进行应力分布分析和变形分析，仿真结果分别如图6 ～图15所示。

图6 闸门整体当量应力分布云图

图7 闸门整体变形分布云图

图8 闸门面板当量应力分布云图

图9 闸门面板位移分布云图

图10 顶梁/底梁当量应力分布云图

图11 顶梁/底梁位移分布云图

图12 支臂当量应力分布云图

图13 支臂位移分布云图

图14 支铰应力分布云图

图15 支铰位移分布云图

对仿真结果进行归纳总结，如表1所示，闸门面板、顶梁、底梁、支臂和支铰等构件的最大当量应力值均小于材料Q345的校核许用应力值，变形量也均小于校核许用值。上述结果说明，工作闸门整体结构及各主要构件均满足设计要求。

表1 工作闸门应力与变形表

4 结论

将仿真结果应力值、变形量与材料的许用值对比，可以得出以下结论： 闸门整体结构及主要构件，包括面板、顶梁、底梁、支臂等的最大当量应力值均小于Q345钢校核许用应力值，且各部件的最大变形值也小于规范的许用值；故该闸门安全可靠，满足实际使用需求，可以用于水利工程。