三维有限元计算分析和复核优化

2023-06-27 理论教育版权反馈

【摘要】：对闸门设计方案同时采用三维有限元计算进行强度、刚度、稳定分析和复核。计算分析以最不利工况闸门在上游设计洪水位、下游无水时的闭门和启门两种工况为控制。以下分述其复核成果。闸门的动力稳定目前没有很好的方法计算分析，因此，建议对闸门作原形观测，以制定闸门合理的运行操作规程。

对闸门设计方案同时采用三维有限元计算进行强度、刚度、稳定分析和复核。计算分析以最不利工况闸门在上游设计洪水位、下游无水时的闭门和启门两种工况为控制。以下分述其复核成果。

表1　弧形闸门的结构特性及主要技术参数表

3.3.1　强度复核

（1）面板上应力峰值分别为147MPa和144MPa，出现在上、中主横梁间及面板底部；可见在闭门挡水或启门开始时，面板上的峰值应力均小于其容许应力，并有一定强度储备。

（2）纵梁强度复核中，腹板和后翼板上的峰值应力分别为191MPa、162MPa、183MPa和140MPa，均小于相应容许应力，纵梁强度有一定储备。

（3）主横梁强度复核中，闭门工况最大应力为188MPa，出现在上主横梁与中纵梁交界处，启门工况峰值应力为191MPa，出现在下主横梁与支臂交界处（局部很小的区域内），属应力集中，分析认为该处不可能出现脆性破坏，但易产生疲劳裂纹源，因此该处需作局部补强。

（4）支臂强度复核中，闭门工况峰值应力（192MPa）出现在中支臂与主横梁交界处；启门工况峰值应力（158MPa）位于下支臂与主横梁交界处，虽峰值应力158MPa未超过其容许应力，但其局部应力偏高，仍易产生应力集中，需作局部补强。

（5）支臂裤衩段强度复核中，该段上的峰值应力分别为218MPa、223MPa，都出现在上、中支臂腹板相连接的连接板上，峰值应力均已超过其容许应力，属应力集中，但未超出局部承压应力[σcd]＝247.5MPa，考虑闸门开启频繁，局部应力过大，易产生疲劳裂纹源，已考虑局部补强。

（6）水平次梁强度复核中，其最大应力分别为146MPa、112MPa，闭门工况应力峰值出现在底部水平次梁上，启门工况出现在中主横梁下第三根水平次梁上。水平次梁有一定的强度储备。

（7）吊耳处、吊耳轴强度均有保障。

上述各构件在强度复核中，所发现的构件局部或构件交界处应力偏高，属应力集中等问题，实际上最终施工设计均已采取局部加强和消除应力集中等技术措施。因此闸门强度有一定裕度。

3.3.2　刚度复核

对设计方案的主要受弯构件进行了刚度复核。经核算闸门主横梁、纵梁、支臂及水平次梁等构件的挠度均在容许范围内，其刚度有保证。闸门最大径向位移24.5mm，最大侧向位移1.17mm。

3.3.3　稳定复核

采用有限元法对闸门整体作了稳定分析和校核。为反映闸门各构件相互作用及相互影响，假定以设计洪水位的荷载为标准荷载，将上游水位提高作为荷载加在闸门上，直到闸门的构件开始出现屈曲失稳，其加载水位为设计洪水位的倍数，即为该构件的稳定安全系数。

闸门闭门挡水时，中纵梁及次中纵梁与上主横梁交界附近的腹板首先进入屈曲，其稳定系数分别为1.45和1.308。

以支臂中点变形作监控点，支臂在闭门工况下的整体稳定安全系数为1.79。

闸门开启工况时，首先进入屈曲的部位与闸门闭门挡水时屈曲部位相同，纵梁与上主横梁交界附近的腹板稳定系数也为1.308。支臂在启门工况下的整体稳定安全系数为1.58。

3.3.4　闸门的动力特性分析

喜河表孔弧门在闭门和启门不同状态下，前20阶自振频率分别为7.9～16.7Hz和3.3～16.7Hz。这个频率范围与其他闸门的自振频率基本一致，并与脉动水压力的频率统计值0～20Hz也一致，这对闸门的开启运行不利，易产生耦联振动。闸门的动力稳定目前没有很好的方法计算分析，因此，建议对闸门作原形观测，以制定闸门合理的运行操作规程。

三维有限元计算分析和复核优化

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