黃峻,謝智雄
(1.廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,廣東 廣州 510635;2.河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,江蘇 常州 213022)
圖1 閘門結(jié)構(gòu)
本文應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)某抽水蓄能電站尾水事故閘門結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力特性進(jìn)行數(shù)值分析研究,計(jì)算并分析節(jié)間2種連接形式下的定輪反力、應(yīng)力、位移、屈曲失穩(wěn)、自振頻率及振型特性。
為了便于表達(dá),對(duì)閘門結(jié)構(gòu)各部分進(jìn)行編號(hào),如圖2所示。閘門結(jié)構(gòu)為空間薄壁結(jié)構(gòu),采用shell63號(hào)板單元來(lái)進(jìn)行模擬,閘門結(jié)構(gòu)有限元模型如圖3所示。
圖2 閘門結(jié)構(gòu)各部件編號(hào)
選取閘門閉門擋水工況,此時(shí)閘門受水頭119 m的靜水壓力作用??紤]閘門自重,按節(jié)間邊柱斷開(kāi)及節(jié)間邊柱連續(xù)2種形式來(lái)計(jì)算分析閘門結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力特性。
圖3 閘門結(jié)構(gòu)有限元模型
閘門節(jié)間邊柱斷開(kāi)及節(jié)間邊柱連續(xù)2種連接形式下定輪反力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1,由表1可以看出:
(1)節(jié)間邊柱斷開(kāi)形式下定輪最大反力為2563.1 kN,發(fā)生在定輪1處;節(jié)間邊柱連續(xù)形式下定輪最大反力為2777.1 kN,發(fā)生在定輪1處。2種形式下各定輪反力相差不超過(guò)10%。
(2)節(jié)間邊柱斷開(kāi)與節(jié)間邊柱連續(xù)相比,輪1、輪4的反力有所減小,輪2、輪3的反力有所增大,節(jié)間邊柱斷開(kāi)形式下各定輪反力的均勻性優(yōu)于節(jié)間邊柱連續(xù)形式。
(3)從定輪最大反力及各定輪反力的均勻性來(lái)看,節(jié)間邊柱斷開(kāi)形式優(yōu)于節(jié)間邊柱連續(xù)形式。
試驗(yàn)采用間比法排列,不設(shè)重復(fù),每4-5個(gè)品種設(shè)一個(gè)對(duì)照,同一排首、末小區(qū)必須是對(duì)照品種,8行區(qū),面積不少于200平方米,試驗(yàn)周邊設(shè)不少于4行的保護(hù)區(qū)。測(cè)產(chǎn)時(shí)收獲全部果穗,風(fēng)干脫粒后稱籽粒重量,測(cè)含水量,折成14%水分計(jì)產(chǎn),產(chǎn)量比較時(shí)以參試品種與兩個(gè)相鄰對(duì)照的平均值比較,計(jì)算增(減)產(chǎn)百分率。
表1 定輪反力計(jì)算結(jié)果
閘門節(jié)間邊柱斷開(kāi)及節(jié)間邊柱連續(xù)2種連接形式下,閘門結(jié)構(gòu)整體及各部件的位移計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2,從表2可以看出:
(1)閘門節(jié)間邊柱斷開(kāi)及節(jié)間邊柱連續(xù)2種形式下,閘門結(jié)構(gòu)各部件順河向位移基本相同。
(2)2種連接形式下,順河向最大位移均發(fā)生在面板梁格2跨1中部,其值約為5.0 mm。
(3)主梁撓度為4.2mm,小于許用變形(5.6mm),滿足剛度要求。
表2 閘門各部件結(jié)構(gòu)順河向位移計(jì)算結(jié)果
閘門節(jié)間邊柱斷開(kāi)及節(jié)間邊柱連續(xù)2種連接形式下,閘門結(jié)構(gòu)各部件的最大折算應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3,由表3可以看出:
(1)閘門節(jié)間邊柱斷開(kāi)及節(jié)間邊柱連續(xù)2種連接形式下,閘門結(jié)構(gòu)各部件應(yīng)力基本相同。
(2)2種連接形式下閘門結(jié)構(gòu)最大折算應(yīng)力均發(fā)生在面板部件上,其值約為212 MPa,略超過(guò)材料許用應(yīng)力(205 MPa),可滿足強(qiáng)度要求。
表3 閘門各部件結(jié)構(gòu)最大折算應(yīng)力計(jì)算結(jié)果
閘門節(jié)間邊柱斷開(kāi)及節(jié)間邊柱連續(xù)2種連接形式下,閘門結(jié)構(gòu)前5階屈曲失穩(wěn)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4,從表4可以看出:
(1)閘門節(jié)間邊柱斷開(kāi)及節(jié)間邊柱連續(xù)2種連接形式下,閘門結(jié)構(gòu)前5階失穩(wěn)形式均表現(xiàn)為閘門結(jié)構(gòu)各板件的局部失穩(wěn)。
(2)節(jié)間邊柱斷開(kāi)情況下,門背板的穩(wěn)定系數(shù)為39.466,略大于節(jié)間邊柱連續(xù)情況下的37.427。
(3)2種連接形式下主梁1腹板的穩(wěn)定系數(shù)基本相同,可見(jiàn),閘門節(jié)間邊柱斷開(kāi)或連續(xù)對(duì)主梁腹板的穩(wěn)定性沒(méi)有影響。
(4)2種連接形式下,閘門結(jié)構(gòu)最容易發(fā)生失穩(wěn)的部件為門背板的局部失穩(wěn),其穩(wěn)定系數(shù)最小為37.427,閘門結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。
表4 閘門結(jié)構(gòu)屈曲失穩(wěn)計(jì)算結(jié)果
閘門節(jié)間邊柱斷開(kāi)及節(jié)間邊柱連續(xù)2種連接形式下,閘門結(jié)構(gòu)前5階自振頻率及振型計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5、表6,從計(jì)算結(jié)果可以看出:
(1)閘門節(jié)間邊柱斷開(kāi)與節(jié)間邊柱連續(xù)相比,各階自振頻率均有所增高,其中,無(wú)水情況下基頻增高15.4%,有水情況下增高12.5%。分析其原因,主要是節(jié)間邊柱連續(xù)的情況下閘門結(jié)構(gòu)整體剛度有所增大。
(2)閘門節(jié)間邊柱斷開(kāi)有水情況下的基頻為6.044 Hz,約為無(wú)水情況下(33.076 Hz)的 18.3%;節(jié)間邊柱連續(xù)有水情況下的基頻為6.797 Hz,約為無(wú)水情況下(38.178 Hz)的17.8%??梢?jiàn),附加水體對(duì)閘門自振頻率的影響較大,流固耦合效應(yīng)不可忽略。
表5 節(jié)間邊柱斷開(kāi)時(shí)閘門結(jié)構(gòu)自振特性計(jì)算結(jié)果
表6 節(jié)間邊柱連續(xù)時(shí)閘門結(jié)構(gòu)自振特性計(jì)算結(jié)果
(1)從前述計(jì)算結(jié)果來(lái)看,閘門節(jié)間邊柱斷開(kāi)及節(jié)間邊柱連續(xù)2種連接形式下,閘門結(jié)構(gòu)均能滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求。
(2)附加水體對(duì)閘門自振頻率的影響較大,計(jì)算閘門自振特性時(shí)流固耦合效應(yīng)不可忽略;閘門節(jié)間邊柱斷開(kāi)與節(jié)間邊柱連續(xù)相比,各階自振頻率均有所增大,主要是節(jié)間邊柱連續(xù)的情況下,閘門結(jié)構(gòu)整體剛度有所增大的緣故。
(3)從輪壓分布的合理性上來(lái)看,閘門節(jié)間邊柱斷開(kāi)形式優(yōu)于節(jié)間邊柱連續(xù)形式。
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