付建科 徐 亮 盧澤民 黃曉輝

(三峽大學(xué)機械與材料學(xué)院,湖北宜昌 443002)

葛洲壩水利樞紐工程是三峽工程完工前我國最大的一座水電工程,到目前為止已運行近30年.葛洲壩二江電站小機組排沙底孔工作門位于該大壩下游排沙底孔出口處,用于排沙底孔的擋水.因該閘門常年在水下,門頂和吊耳孔受水中沉積物的淤積影響,導(dǎo)致門機抓梁定位不準,穿銷受阻,啟門運行很難進行,極大地影響了二江電站小機組排沙底孔的正常運行,因此,需對葛洲壩二江電站小機組排沙底孔工作門吊耳進行改造設(shè)計.為了最大限度地降低改造成本擬采用如下改造方案:去掉現(xiàn)有門頂?shù)醵?在去掉的門頂?shù)醵?新設(shè)計一對比原吊耳高度高1 m的新吊耳,吊耳頂部設(shè)置傳力塊,其它部位結(jié)構(gòu)不變,廢棄原有的抓梁定位方式,利用門機自動抓梁的前后導(dǎo)向裝置、側(cè)導(dǎo)輪及吊耳板定位,活動加載作用點由原來的邊梁、頂梁腹板相交位置轉(zhuǎn)移到吊耳頂部的傳力塊,改造后的門葉結(jié)構(gòu)如圖1所示.由于改造后的工作門門葉結(jié)構(gòu)發(fā)生了變動,活動加載作用點發(fā)生了變化,導(dǎo)致工作門整體受力狀態(tài)也發(fā)生了變化,因此,該方案是否可行的關(guān)鍵之一在于在設(shè)計水頭不變和活動加載作用點轉(zhuǎn)移至吊耳頂部傳力塊條件下,該工作門的強度和剛度能否滿足要求,而活動加載作用點的改變對門體結(jié)構(gòu)帶來的影響用傳統(tǒng)手工計算方法是無法準確計算分析的,給改造設(shè)計帶來了極大的困難.

圖1 改造后小機組排沙底孔工作門構(gòu)造圖

本文采用大型有限元軟件ANSYS分析計算了改造設(shè)計后的該排沙底孔工作門結(jié)構(gòu)在設(shè)計水頭和活動加載作用點轉(zhuǎn)移至吊耳頂部傳力塊條件下的應(yīng)力和變形,為該排沙底孔工作門的改造設(shè)計提供了重要的參考依據(jù).

1 排沙底孔工作門有限元模型建立

1.1 排沙底孔工作門基本參數(shù)

該排沙底孔工作門孔口形式為潛孔,設(shè)計水頭27m,支承跨度7.3m,動力系數(shù)1.2,閘門兩個吊耳傳力塊上作用有120t均布豎向載荷,沖擊系數(shù)1.2.

1.2 排沙底孔工作門有限元模型單元選擇

小機組排沙底孔工作門分別由鋼板、型鋼焊接而成,都是較為典型的板梁空間結(jié)構(gòu)體系.排沙底孔工作門結(jié)構(gòu)在上游水壓作用下將發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切和拉壓組合變形[1],因此可將結(jié)構(gòu)處理為板、殼、梁的組合體.按照排沙底孔工作門結(jié)構(gòu)構(gòu)造,直接采用ANSYS實體建模的方法構(gòu)建模型.結(jié)構(gòu)中水平次梁處理為梁單元,采用BEAM188的2節(jié)點梁單元分網(wǎng),其他部分處理為板殼單元,采用SHELL63的4節(jié)點殼單元分網(wǎng).其中次梁采用賦予截面形狀的方式保證截面特性與實際相符.考慮到排沙底孔工作門為平面對稱結(jié)構(gòu),只需建立一半排沙底孔工作門結(jié)構(gòu)模型,劃分網(wǎng)格后的模型如圖2所示,其中節(jié)點總數(shù)為75667個,單元總數(shù)為76 798個.該排沙底孔工作門門體材料為16Mn鋼,吊耳為Q345,其彈性模量E= 2.06×105MPa,泊松比 μ=0.3,屈服極限為345 MPa,密度ρ=7.85×103kg/m3.

圖2 排沙底孔工作門有限元模型

1.3 載荷處理及邊界條件確定

為了準確地反映排沙底孔工作門計算工況下的應(yīng)力和變形,進行有限元分析時考慮了水壓、自重、兩個吊耳傳力塊上承受120 t豎向載荷、主輪支撐力、底部及邊梁的支撐力,同時結(jié)合排沙底孔工作門結(jié)構(gòu)的對稱性,對已建立的一半排沙底孔工作結(jié)構(gòu)模型施加了符合實際情況的約束條件.

2 排沙底孔工作門強度和剛度分析

2.1 強度分析

閘門的強度按強度控制點的受力性質(zhì)進行設(shè)計校核,對于閘門承重構(gòu)件和連接件,應(yīng)校核正應(yīng)力、剪應(yīng)力;結(jié)果中同時受較大正應(yīng)力和較大剪應(yīng)力作用處,應(yīng)校核最大等效應(yīng)力;對于面板而言,考慮到面板本身在局部彎曲的同時還隨主次梁受整體彎曲的作用,故應(yīng)對面板的折算應(yīng)力進行校核.

完成建模后,進行加載、約束、定義分析類型、分析選項、荷載數(shù)據(jù)和荷載選項等步驟,然后開始有限元求解.計算完成后其應(yīng)力結(jié)果可直接繪制云圖輸出.排沙底孔工作門在水壓、自重和120t豎向載荷作用下的應(yīng)力云圖如圖3所示.

圖3 排沙底孔工作門等效應(yīng)力云圖

從圖3可以看出:排沙底孔工作門除面板外,其他主要構(gòu)件的最大應(yīng)力均發(fā)生在跨中位置.其主要構(gòu)件的最大應(yīng)力計算結(jié)果見表1.

表1 排沙底孔工作門主要構(gòu)件求解結(jié)果

從表1可以看出排沙底孔工作門各構(gòu)件的強度均滿足強度要求,從強度角度看結(jié)構(gòu)是安全的.

2.2 剛度分析

除強度分析外,排沙底孔工作門的變形分析也是非常重要的,特別是主次梁的變形.有限元計算得到的改造后的排沙底孔工作門結(jié)構(gòu)在設(shè)計水頭和活動加載作用點轉(zhuǎn)移至吊耳頂部傳力塊條件下的變形云圖如圖4所示.

圖4 排沙底孔工作門位移云圖

從圖4可以看出排沙底孔工作門的最大位移發(fā)生在面板中上部,其中主、次梁的最大撓度發(fā)生在跨中位置,最大撓度分別為4.32 mm、4.63 mm.《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》規(guī)定,潛孔式工作閘門主梁的最大撓度值與計算跨度的比值不超過1/750,次梁的最大撓度與計算跨度之比不超過1/250[2].小機組排沙底孔工作門跨度為7300mm,主梁容許撓度為9.73mm,可見主梁和次梁的最大計算撓度值均小于《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的容許撓度,故排沙底孔工作門有足夠的變形抵抗能力,其剛度滿足要求.

3 結(jié) 論

(1)根據(jù)葛洲壩二江電站小機組改造后的排沙底孔工作門三維有限元分析計算結(jié)果,按照《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》對鋼閘門強度和剛度的校核要求,葛洲壩二江電站小機組改造后的排沙底孔工作門的強度、剛度是滿足要求的.

(2)對于具有結(jié)構(gòu)對稱的鋼閘門,采用構(gòu)建一半閘門結(jié)構(gòu)模型的方式進行分析計算,比采用構(gòu)建整個閘門結(jié)構(gòu)模型的方式進行分析計算更合理,在不增加單元和節(jié)點總數(shù)的基礎(chǔ)上,可以減少計算時間,提高計算精度.

[1] 闞前華,譚長建,等.ANSYS高級工程應(yīng)用實例分析與二次開發(fā)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[2] 東北勘察設(shè)計研究院.水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范SL74-95[S].1995.