溫承永　武坤鵬　湯凱

摘 要：采用ANSYS有限元軟件并且結(jié)合原型觀測(cè)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)長沙樞紐船閘輸水閥門進(jìn)行流激振動(dòng)特性的計(jì)算分析，結(jié)果表明目前閥門運(yùn)行情況良好，門體的流激振動(dòng)輕微，強(qiáng)度剛度均符合要求，閥門安全可靠，但門體尚存在薄弱部位，在運(yùn)行中應(yīng)注意安全防范工作。

關(guān)鍵詞：流激振動(dòng)；輸水閥門；原型觀測(cè)

船閘的運(yùn)行中，由于每天都頻繁地對(duì)輸水閥門進(jìn)行開啟和關(guān)閉，輸水閥門的力學(xué)問題尤顯突出。閥門啟閉過程受力條件較為復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、流激振動(dòng)等安全問題越來越受到水利界的重視[1-3]。本文以長沙樞紐輸水閥門為例，建立輸水閥門有限元模型，運(yùn)用ANSYS有限元軟件對(duì)運(yùn)行期水位下的閥門進(jìn)行流激振動(dòng)特性研究，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)也可以為同類閥門的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 閥門有限元模型

輸水閥門所用的鋼材型號(hào)為Q345b鋼，其彈性模量E=2.06×1011Pa，泊松比？滋=0.26，密度ρ=7850kg/m3。有限元模型中，面板、橫梁、縱梁、吊耳、翼板及底緣全部離散為薄板單元，采用殼單元shell63模擬，流固耦合中門體附加的水體質(zhì)量采用Mass21質(zhì)量單元模擬，模型共有61609個(gè)單元，61187個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型X方向?yàn)樾谐谭较颍琘方向?yàn)殚y門側(cè)向，Z為水流方向，閥門三維有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

2 閥門模態(tài)分析

閥門自振頻率是其振動(dòng)的內(nèi)因，研究輸水閥門的動(dòng)特性和流激振動(dòng)，都必須基于閥門自振特性。探究閥門自振特性，如何設(shè)計(jì)、選用能夠避開水流脈動(dòng)頻率的閥門，是工程上迫切關(guān)注的問題。對(duì)閥門進(jìn)行模態(tài)分析主要有兩個(gè)目的，第一，分析前幾階的自身固有頻率，避免其與水流荷載發(fā)生共振。第二，分析前幾階的振型，對(duì)門體軟弱部位的破壞進(jìn)行預(yù)防。

考慮到水體對(duì)門體具有耦合作用，門體干模態(tài)與濕模態(tài)差別相當(dāng)顯著，在計(jì)算中采取附加質(zhì)量法實(shí)現(xiàn)門體與水體之間的耦合[4]。工程上所關(guān)心的通常是閥門的低階模態(tài)特性，利用ANSYS計(jì)算了原型觀測(cè)水位時(shí)， 0.5m、1.5m、2.5m、3.5m、4.5m共5個(gè)開度下，閥門前5階自振頻率和振型。

表1 不同開度下自振頻率（Hz）

閥門前兩階振型主要是門體左、右下角發(fā)生較大的扭曲變形，該部位直接與水流接觸，容易受到破壞。第三階振型除門體左、右下角發(fā)生較大的扭曲變形外，縱梁下部側(cè)位移較大，此時(shí)門體整體呈側(cè)向彎曲形變。第四階振型、第五階振型為門體下部逆著水流方向發(fā)生凸起的彎曲變形、門體下部順著水流方向發(fā)生凹下的彎曲變形，側(cè)滑輪和止水的約束使得門體兩側(cè)剛度較大、形變量小，中間部位剛度小、形變量大。

3 流激振動(dòng)原型觀測(cè)

選取上游水位26.8m，下游水位23.6m的運(yùn)行期常水位進(jìn)行閥門振動(dòng)加速度的原型觀測(cè)。閥門在3.2m水頭差下雙邊勻速開啟，開啟時(shí)間為244.6s，對(duì)于X方向，開度在1.5m與2m之間時(shí)振動(dòng)加速度出現(xiàn)最大值0.46m/s2，絕大多數(shù)振動(dòng)值均在0.2m/s2范圍內(nèi)；對(duì)于Y方向，閥門開度在3m與3.5m開度之間振動(dòng)加速度出現(xiàn)最大值1.64m/s2，絕大多數(shù)振動(dòng)值均在0.4 m/s2范圍內(nèi)；對(duì)于Z方向，閥門開度在2m附近時(shí)，振動(dòng)加速度出現(xiàn)最大值0.44m/s2，絕大多數(shù)振動(dòng)值均在0.3 m/s2范圍內(nèi)；對(duì)于總加速度，閥門開度在3m與3.5m之間振動(dòng)加速度達(dá)到最大值1.64m/s2，絕大多數(shù)振動(dòng)值均在0.7m/s2范圍內(nèi)。

圖2 X向振動(dòng)加速度圖 圖3 Y向振動(dòng)加速度圖

圖4 Z向振動(dòng)加速度圖 圖5 總振動(dòng)加速度圖

4 流激振動(dòng)應(yīng)力、應(yīng)變特性

由于廊道內(nèi)水體流態(tài)變化極其復(fù)雜且不穩(wěn)定，很難獲得到門體實(shí)際承受的水體荷載，并在有限元模型上進(jìn)行加載計(jì)算[4]。本文的計(jì)算思路是將閥門所受到的實(shí)測(cè)振動(dòng)荷載施加到有限元模型中，計(jì)算振動(dòng)劇烈時(shí)刻閥門結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變情況，研究其振動(dòng)特性。

表2 X向振動(dòng)最大時(shí)各部位最大應(yīng)力應(yīng)變值

表3 Y向振動(dòng)最大時(shí)各部位最大應(yīng)力應(yīng)變值

表4 Z向振動(dòng)最大時(shí)各部位最大應(yīng)力應(yīng)變值

X方向振動(dòng)分量達(dá)到最大時(shí)，門體最大應(yīng)力為34.3MPa，最大應(yīng)變量為0.567mm，均發(fā)生在迎水板的左下角和右下角。Y方向振動(dòng)分量達(dá)到最大時(shí)，同時(shí)也是整個(gè)運(yùn)行過程中總加速度最大時(shí)刻，門體最大應(yīng)力為255MPa，發(fā)生在吊耳與頂橫梁交接處，最大應(yīng)變量為0.987mm，發(fā)生在迎水板的左下角和右下角。Z方向振動(dòng)分量達(dá)到最大時(shí)，門體最大應(yīng)力為158MPa，最大應(yīng)變量為3.674mm，均發(fā)生在迎水板的左下角和右下角，此時(shí)外側(cè)底緣部位最大應(yīng)力達(dá)到138 MPa。

計(jì)算結(jié)果表明，觀測(cè)水位下，運(yùn)行過程中閥門各部位的應(yīng)力均沒有超過材料的局部承壓容許應(yīng)力345MPa，材料富有安全度，迎水板的左、右下角變形較大屬于振動(dòng)薄弱部位。閥門振動(dòng)加速度未出現(xiàn)較大波動(dòng)，振動(dòng)強(qiáng)度比較小，屬于微幅振動(dòng)。閥門局部應(yīng)力較大部位為：吊耳與頂橫梁連接處、迎水板左、右下角、外側(cè)縱梁與滑輪交接處、背水板與橫、縱梁共同交匯處、底緣外側(cè)以及中間部位。相對(duì)而言，閥門Y方向（即側(cè)向）的振動(dòng)較為劇烈，應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯，造成門體的破壞主要是吊耳與頂橫梁焊接處。閥門Z方向（即水流方向）的振動(dòng)，雖然應(yīng)力集中并不明顯，但對(duì)門體的形變破壞最為嚴(yán)重，此時(shí)門體底緣附近部位破壞最為嚴(yán)重。閥門X方向（即行程方向）振動(dòng)的幅值與Z方向類似，但給閥門帶來的破壞相對(duì)Z方向而言要輕微得多，可見，Y、Z方向振動(dòng)是閥門流激振動(dòng)的主導(dǎo)因子。

5 結(jié)束語

本文研究表明在運(yùn)行期水頭下，閥門的應(yīng)力應(yīng)變并不大，發(fā)生的流激振動(dòng)屬于微幅振動(dòng)，不影響結(jié)構(gòu)的安全。閥門結(jié)構(gòu)的基頻在1-3Hz之間，略微偏低，水流荷載容易激勵(lì)閥門發(fā)生前5階振型，閥門局部應(yīng)力較大部位主要是迎水面板左、右下角、吊耳與頂橫梁連接處、外側(cè)縱梁與滑輪交接處、背水面板與橫、縱梁共同交匯處、底緣外側(cè)以及中間部位，無論從振型分析還是動(dòng)特性仿真分析都能看出，閥門迎水面板左、右下角是最不利部位[5]。

目前水位差不高，閥門工作狀態(tài)良好。但為了保證船閘后期正常運(yùn)轉(zhuǎn)，需對(duì)輸水閥門進(jìn)行不斷的調(diào)試和分析，使得閥門充分發(fā)揮其結(jié)構(gòu)特性[6-8]。

參考文獻(xiàn)

[1]閻詩武.船閘閥門振動(dòng)研究的發(fā)展與成就[J].振動(dòng)測(cè)試與診斷，1998，01：19-25+74.

[2]陳明，宣國祥，陳明棟.船閘輸水系統(tǒng)水動(dòng)力學(xué)研究綜述[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，01：157-160+168.

[3]吳杰芳，張林讓，曹曉麗，李聲平，彭定.三峽船閘末級(jí)泄水閥門振動(dòng)水彈性模型研究[J].長江科學(xué)院院報(bào)，2005，03：38-40.

[4]姬銳敏.長沙樞紐弧形閘門靜動(dòng)力特性研究[D].長沙理工大學(xué)，2013.

[5]駱少澤，閻詩武，陳發(fā)展，樊寶康.五強(qiáng)溪船閘輸水閥門流激振動(dòng)原型觀測(cè)[C].1999-中國水利發(fā)電工程學(xué)會(huì)通航專業(yè)委員會(huì)第三屆第二次學(xué)術(shù)交流會(huì).

[6]江耀祖，吳英卓，陳輝，於三大，耿峻.三峽船閘六閘首輸水閥門運(yùn)行方式優(yōu)化[J].長江科學(xué)院院報(bào)，2013，08：18-20.

[7]謝凱.三峽船閘輸水閥門運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化[J].水運(yùn)工程，2011，06：126-130.

[8]楊忠超，楊斌，陳明棟，胡雪梅.高水頭船閘閥門開啟過程水力特性仿真研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，04：758

作者簡介：溫承永（1989-），男，江西九江人，長沙理工大學(xué)碩士研究生。endprint

摘 要：采用ANSYS有限元軟件并且結(jié)合原型觀測(cè)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)長沙樞紐船閘輸水閥門進(jìn)行流激振動(dòng)特性的計(jì)算分析，結(jié)果表明目前閥門運(yùn)行情況良好，門體的流激振動(dòng)輕微，強(qiáng)度剛度均符合要求，閥門安全可靠，但門體尚存在薄弱部位，在運(yùn)行中應(yīng)注意安全防范工作。

關(guān)鍵詞：流激振動(dòng)；輸水閥門；原型觀測(cè)

船閘的運(yùn)行中，由于每天都頻繁地對(duì)輸水閥門進(jìn)行開啟和關(guān)閉，輸水閥門的力學(xué)問題尤顯突出。閥門啟閉過程受力條件較為復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、流激振動(dòng)等安全問題越來越受到水利界的重視[1-3]。本文以長沙樞紐輸水閥門為例，建立輸水閥門有限元模型，運(yùn)用ANSYS有限元軟件對(duì)運(yùn)行期水位下的閥門進(jìn)行流激振動(dòng)特性研究，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)也可以為同類閥門的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 閥門有限元模型

輸水閥門所用的鋼材型號(hào)為Q345b鋼，其彈性模量E=2.06×1011Pa，泊松比？滋=0.26，密度ρ=7850kg/m3。有限元模型中，面板、橫梁、縱梁、吊耳、翼板及底緣全部離散為薄板單元，采用殼單元shell63模擬，流固耦合中門體附加的水體質(zhì)量采用Mass21質(zhì)量單元模擬，模型共有61609個(gè)單元，61187個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型X方向?yàn)樾谐谭较颍琘方向?yàn)殚y門側(cè)向，Z為水流方向，閥門三維有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

2 閥門模態(tài)分析

閥門自振頻率是其振動(dòng)的內(nèi)因，研究輸水閥門的動(dòng)特性和流激振動(dòng)，都必須基于閥門自振特性。探究閥門自振特性，如何設(shè)計(jì)、選用能夠避開水流脈動(dòng)頻率的閥門，是工程上迫切關(guān)注的問題。對(duì)閥門進(jìn)行模態(tài)分析主要有兩個(gè)目的，第一，分析前幾階的自身固有頻率，避免其與水流荷載發(fā)生共振。第二，分析前幾階的振型，對(duì)門體軟弱部位的破壞進(jìn)行預(yù)防。

考慮到水體對(duì)門體具有耦合作用，門體干模態(tài)與濕模態(tài)差別相當(dāng)顯著，在計(jì)算中采取附加質(zhì)量法實(shí)現(xiàn)門體與水體之間的耦合[4]。工程上所關(guān)心的通常是閥門的低階模態(tài)特性，利用ANSYS計(jì)算了原型觀測(cè)水位時(shí)， 0.5m、1.5m、2.5m、3.5m、4.5m共5個(gè)開度下，閥門前5階自振頻率和振型。

表1 不同開度下自振頻率（Hz）

閥門前兩階振型主要是門體左、右下角發(fā)生較大的扭曲變形，該部位直接與水流接觸，容易受到破壞。第三階振型除門體左、右下角發(fā)生較大的扭曲變形外，縱梁下部側(cè)位移較大，此時(shí)門體整體呈側(cè)向彎曲形變。第四階振型、第五階振型為門體下部逆著水流方向發(fā)生凸起的彎曲變形、門體下部順著水流方向發(fā)生凹下的彎曲變形，側(cè)滑輪和止水的約束使得門體兩側(cè)剛度較大、形變量小，中間部位剛度小、形變量大。

3 流激振動(dòng)原型觀測(cè)

選取上游水位26.8m，下游水位23.6m的運(yùn)行期常水位進(jìn)行閥門振動(dòng)加速度的原型觀測(cè)。閥門在3.2m水頭差下雙邊勻速開啟，開啟時(shí)間為244.6s，對(duì)于X方向，開度在1.5m與2m之間時(shí)振動(dòng)加速度出現(xiàn)最大值0.46m/s2，絕大多數(shù)振動(dòng)值均在0.2m/s2范圍內(nèi)；對(duì)于Y方向，閥門開度在3m與3.5m開度之間振動(dòng)加速度出現(xiàn)最大值1.64m/s2，絕大多數(shù)振動(dòng)值均在0.4 m/s2范圍內(nèi)；對(duì)于Z方向，閥門開度在2m附近時(shí)，振動(dòng)加速度出現(xiàn)最大值0.44m/s2，絕大多數(shù)振動(dòng)值均在0.3 m/s2范圍內(nèi)；對(duì)于總加速度，閥門開度在3m與3.5m之間振動(dòng)加速度達(dá)到最大值1.64m/s2，絕大多數(shù)振動(dòng)值均在0.7m/s2范圍內(nèi)。

圖2 X向振動(dòng)加速度圖 圖3 Y向振動(dòng)加速度圖

圖4 Z向振動(dòng)加速度圖 圖5 總振動(dòng)加速度圖

4 流激振動(dòng)應(yīng)力、應(yīng)變特性

由于廊道內(nèi)水體流態(tài)變化極其復(fù)雜且不穩(wěn)定，很難獲得到門體實(shí)際承受的水體荷載，并在有限元模型上進(jìn)行加載計(jì)算[4]。本文的計(jì)算思路是將閥門所受到的實(shí)測(cè)振動(dòng)荷載施加到有限元模型中，計(jì)算振動(dòng)劇烈時(shí)刻閥門結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變情況，研究其振動(dòng)特性。

表2 X向振動(dòng)最大時(shí)各部位最大應(yīng)力應(yīng)變值

表3 Y向振動(dòng)最大時(shí)各部位最大應(yīng)力應(yīng)變值

表4 Z向振動(dòng)最大時(shí)各部位最大應(yīng)力應(yīng)變值

X方向振動(dòng)分量達(dá)到最大時(shí)，門體最大應(yīng)力為34.3MPa，最大應(yīng)變量為0.567mm，均發(fā)生在迎水板的左下角和右下角。Y方向振動(dòng)分量達(dá)到最大時(shí)，同時(shí)也是整個(gè)運(yùn)行過程中總加速度最大時(shí)刻，門體最大應(yīng)力為255MPa，發(fā)生在吊耳與頂橫梁交接處，最大應(yīng)變量為0.987mm，發(fā)生在迎水板的左下角和右下角。Z方向振動(dòng)分量達(dá)到最大時(shí)，門體最大應(yīng)力為158MPa，最大應(yīng)變量為3.674mm，均發(fā)生在迎水板的左下角和右下角，此時(shí)外側(cè)底緣部位最大應(yīng)力達(dá)到138 MPa。

計(jì)算結(jié)果表明，觀測(cè)水位下，運(yùn)行過程中閥門各部位的應(yīng)力均沒有超過材料的局部承壓容許應(yīng)力345MPa，材料富有安全度，迎水板的左、右下角變形較大屬于振動(dòng)薄弱部位。閥門振動(dòng)加速度未出現(xiàn)較大波動(dòng)，振動(dòng)強(qiáng)度比較小，屬于微幅振動(dòng)。閥門局部應(yīng)力較大部位為：吊耳與頂橫梁連接處、迎水板左、右下角、外側(cè)縱梁與滑輪交接處、背水板與橫、縱梁共同交匯處、底緣外側(cè)以及中間部位。相對(duì)而言，閥門Y方向（即側(cè)向）的振動(dòng)較為劇烈，應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯，造成門體的破壞主要是吊耳與頂橫梁焊接處。閥門Z方向（即水流方向）的振動(dòng)，雖然應(yīng)力集中并不明顯，但對(duì)門體的形變破壞最為嚴(yán)重，此時(shí)門體底緣附近部位破壞最為嚴(yán)重。閥門X方向（即行程方向）振動(dòng)的幅值與Z方向類似，但給閥門帶來的破壞相對(duì)Z方向而言要輕微得多，可見，Y、Z方向振動(dòng)是閥門流激振動(dòng)的主導(dǎo)因子。

5 結(jié)束語

本文研究表明在運(yùn)行期水頭下，閥門的應(yīng)力應(yīng)變并不大，發(fā)生的流激振動(dòng)屬于微幅振動(dòng)，不影響結(jié)構(gòu)的安全。閥門結(jié)構(gòu)的基頻在1-3Hz之間，略微偏低，水流荷載容易激勵(lì)閥門發(fā)生前5階振型，閥門局部應(yīng)力較大部位主要是迎水面板左、右下角、吊耳與頂橫梁連接處、外側(cè)縱梁與滑輪交接處、背水面板與橫、縱梁共同交匯處、底緣外側(cè)以及中間部位，無論從振型分析還是動(dòng)特性仿真分析都能看出，閥門迎水面板左、右下角是最不利部位[5]。

目前水位差不高，閥門工作狀態(tài)良好。但為了保證船閘后期正常運(yùn)轉(zhuǎn)，需對(duì)輸水閥門進(jìn)行不斷的調(diào)試和分析，使得閥門充分發(fā)揮其結(jié)構(gòu)特性[6-8]。

參考文獻(xiàn)

[1]閻詩武.船閘閥門振動(dòng)研究的發(fā)展與成就[J].振動(dòng)測(cè)試與診斷，1998，01：19-25+74.

[2]陳明，宣國祥，陳明棟.船閘輸水系統(tǒng)水動(dòng)力學(xué)研究綜述[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，01：157-160+168.

[3]吳杰芳，張林讓，曹曉麗，李聲平，彭定.三峽船閘末級(jí)泄水閥門振動(dòng)水彈性模型研究[J].長江科學(xué)院院報(bào)，2005，03：38-40.

[4]姬銳敏.長沙樞紐弧形閘門靜動(dòng)力特性研究[D].長沙理工大學(xué)，2013.

[5]駱少澤，閻詩武，陳發(fā)展，樊寶康.五強(qiáng)溪船閘輸水閥門流激振動(dòng)原型觀測(cè)[C].1999-中國水利發(fā)電工程學(xué)會(huì)通航專業(yè)委員會(huì)第三屆第二次學(xué)術(shù)交流會(huì).

[6]江耀祖，吳英卓，陳輝，於三大，耿峻.三峽船閘六閘首輸水閥門運(yùn)行方式優(yōu)化[J].長江科學(xué)院院報(bào)，2013，08：18-20.

[7]謝凱.三峽船閘輸水閥門運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化[J].水運(yùn)工程，2011，06：126-130.

[8]楊忠超，楊斌，陳明棟，胡雪梅.高水頭船閘閥門開啟過程水力特性仿真研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，04：758

作者簡介：溫承永（1989-），男，江西九江人，長沙理工大學(xué)碩士研究生。endprint

摘 要：采用ANSYS有限元軟件并且結(jié)合原型觀測(cè)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)長沙樞紐船閘輸水閥門進(jìn)行流激振動(dòng)特性的計(jì)算分析，結(jié)果表明目前閥門運(yùn)行情況良好，門體的流激振動(dòng)輕微，強(qiáng)度剛度均符合要求，閥門安全可靠，但門體尚存在薄弱部位，在運(yùn)行中應(yīng)注意安全防范工作。

關(guān)鍵詞：流激振動(dòng)；輸水閥門；原型觀測(cè)

船閘的運(yùn)行中，由于每天都頻繁地對(duì)輸水閥門進(jìn)行開啟和關(guān)閉，輸水閥門的力學(xué)問題尤顯突出。閥門啟閉過程受力條件較為復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、流激振動(dòng)等安全問題越來越受到水利界的重視[1-3]。本文以長沙樞紐輸水閥門為例，建立輸水閥門有限元模型，運(yùn)用ANSYS有限元軟件對(duì)運(yùn)行期水位下的閥門進(jìn)行流激振動(dòng)特性研究，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)也可以為同類閥門的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 閥門有限元模型

輸水閥門所用的鋼材型號(hào)為Q345b鋼，其彈性模量E=2.06×1011Pa，泊松比？滋=0.26，密度ρ=7850kg/m3。有限元模型中，面板、橫梁、縱梁、吊耳、翼板及底緣全部離散為薄板單元，采用殼單元shell63模擬，流固耦合中門體附加的水體質(zhì)量采用Mass21質(zhì)量單元模擬，模型共有61609個(gè)單元，61187個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型X方向?yàn)樾谐谭较?，Y方向?yàn)殚y門側(cè)向，Z為水流方向，閥門三維有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

2 閥門模態(tài)分析

閥門自振頻率是其振動(dòng)的內(nèi)因，研究輸水閥門的動(dòng)特性和流激振動(dòng)，都必須基于閥門自振特性。探究閥門自振特性，如何設(shè)計(jì)、選用能夠避開水流脈動(dòng)頻率的閥門，是工程上迫切關(guān)注的問題。對(duì)閥門進(jìn)行模態(tài)分析主要有兩個(gè)目的，第一，分析前幾階的自身固有頻率，避免其與水流荷載發(fā)生共振。第二，分析前幾階的振型，對(duì)門體軟弱部位的破壞進(jìn)行預(yù)防。

考慮到水體對(duì)門體具有耦合作用，門體干模態(tài)與濕模態(tài)差別相當(dāng)顯著，在計(jì)算中采取附加質(zhì)量法實(shí)現(xiàn)門體與水體之間的耦合[4]。工程上所關(guān)心的通常是閥門的低階模態(tài)特性，利用ANSYS計(jì)算了原型觀測(cè)水位時(shí)， 0.5m、1.5m、2.5m、3.5m、4.5m共5個(gè)開度下，閥門前5階自振頻率和振型。

表1 不同開度下自振頻率（Hz）

閥門前兩階振型主要是門體左、右下角發(fā)生較大的扭曲變形，該部位直接與水流接觸，容易受到破壞。第三階振型除門體左、右下角發(fā)生較大的扭曲變形外，縱梁下部側(cè)位移較大，此時(shí)門體整體呈側(cè)向彎曲形變。第四階振型、第五階振型為門體下部逆著水流方向發(fā)生凸起的彎曲變形、門體下部順著水流方向發(fā)生凹下的彎曲變形，側(cè)滑輪和止水的約束使得門體兩側(cè)剛度較大、形變量小，中間部位剛度小、形變量大。

3 流激振動(dòng)原型觀測(cè)

選取上游水位26.8m，下游水位23.6m的運(yùn)行期常水位進(jìn)行閥門振動(dòng)加速度的原型觀測(cè)。閥門在3.2m水頭差下雙邊勻速開啟，開啟時(shí)間為244.6s，對(duì)于X方向，開度在1.5m與2m之間時(shí)振動(dòng)加速度出現(xiàn)最大值0.46m/s2，絕大多數(shù)振動(dòng)值均在0.2m/s2范圍內(nèi)；對(duì)于Y方向，閥門開度在3m與3.5m開度之間振動(dòng)加速度出現(xiàn)最大值1.64m/s2，絕大多數(shù)振動(dòng)值均在0.4 m/s2范圍內(nèi)；對(duì)于Z方向，閥門開度在2m附近時(shí)，振動(dòng)加速度出現(xiàn)最大值0.44m/s2，絕大多數(shù)振動(dòng)值均在0.3 m/s2范圍內(nèi)；對(duì)于總加速度，閥門開度在3m與3.5m之間振動(dòng)加速度達(dá)到最大值1.64m/s2，絕大多數(shù)振動(dòng)值均在0.7m/s2范圍內(nèi)。

圖2 X向振動(dòng)加速度圖 圖3 Y向振動(dòng)加速度圖

圖4 Z向振動(dòng)加速度圖 圖5 總振動(dòng)加速度圖

4 流激振動(dòng)應(yīng)力、應(yīng)變特性

由于廊道內(nèi)水體流態(tài)變化極其復(fù)雜且不穩(wěn)定，很難獲得到門體實(shí)際承受的水體荷載，并在有限元模型上進(jìn)行加載計(jì)算[4]。本文的計(jì)算思路是將閥門所受到的實(shí)測(cè)振動(dòng)荷載施加到有限元模型中，計(jì)算振動(dòng)劇烈時(shí)刻閥門結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變情況，研究其振動(dòng)特性。

表2 X向振動(dòng)最大時(shí)各部位最大應(yīng)力應(yīng)變值

表3 Y向振動(dòng)最大時(shí)各部位最大應(yīng)力應(yīng)變值

表4 Z向振動(dòng)最大時(shí)各部位最大應(yīng)力應(yīng)變值

X方向振動(dòng)分量達(dá)到最大時(shí)，門體最大應(yīng)力為34.3MPa，最大應(yīng)變量為0.567mm，均發(fā)生在迎水板的左下角和右下角。Y方向振動(dòng)分量達(dá)到最大時(shí)，同時(shí)也是整個(gè)運(yùn)行過程中總加速度最大時(shí)刻，門體最大應(yīng)力為255MPa，發(fā)生在吊耳與頂橫梁交接處，最大應(yīng)變量為0.987mm，發(fā)生在迎水板的左下角和右下角。Z方向振動(dòng)分量達(dá)到最大時(shí)，門體最大應(yīng)力為158MPa，最大應(yīng)變量為3.674mm，均發(fā)生在迎水板的左下角和右下角，此時(shí)外側(cè)底緣部位最大應(yīng)力達(dá)到138 MPa。

計(jì)算結(jié)果表明，觀測(cè)水位下，運(yùn)行過程中閥門各部位的應(yīng)力均沒有超過材料的局部承壓容許應(yīng)力345MPa，材料富有安全度，迎水板的左、右下角變形較大屬于振動(dòng)薄弱部位。閥門振動(dòng)加速度未出現(xiàn)較大波動(dòng)，振動(dòng)強(qiáng)度比較小，屬于微幅振動(dòng)。閥門局部應(yīng)力較大部位為：吊耳與頂橫梁連接處、迎水板左、右下角、外側(cè)縱梁與滑輪交接處、背水板與橫、縱梁共同交匯處、底緣外側(cè)以及中間部位。相對(duì)而言，閥門Y方向（即側(cè)向）的振動(dòng)較為劇烈，應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯，造成門體的破壞主要是吊耳與頂橫梁焊接處。閥門Z方向（即水流方向）的振動(dòng)，雖然應(yīng)力集中并不明顯，但對(duì)門體的形變破壞最為嚴(yán)重，此時(shí)門體底緣附近部位破壞最為嚴(yán)重。閥門X方向（即行程方向）振動(dòng)的幅值與Z方向類似，但給閥門帶來的破壞相對(duì)Z方向而言要輕微得多，可見，Y、Z方向振動(dòng)是閥門流激振動(dòng)的主導(dǎo)因子。

5 結(jié)束語

本文研究表明在運(yùn)行期水頭下，閥門的應(yīng)力應(yīng)變并不大，發(fā)生的流激振動(dòng)屬于微幅振動(dòng)，不影響結(jié)構(gòu)的安全。閥門結(jié)構(gòu)的基頻在1-3Hz之間，略微偏低，水流荷載容易激勵(lì)閥門發(fā)生前5階振型，閥門局部應(yīng)力較大部位主要是迎水面板左、右下角、吊耳與頂橫梁連接處、外側(cè)縱梁與滑輪交接處、背水面板與橫、縱梁共同交匯處、底緣外側(cè)以及中間部位，無論從振型分析還是動(dòng)特性仿真分析都能看出，閥門迎水面板左、右下角是最不利部位[5]。

目前水位差不高，閥門工作狀態(tài)良好。但為了保證船閘后期正常運(yùn)轉(zhuǎn)，需對(duì)輸水閥門進(jìn)行不斷的調(diào)試和分析，使得閥門充分發(fā)揮其結(jié)構(gòu)特性[6-8]。

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作者簡介：溫承永（1989-），男，江西九江人，長沙理工大學(xué)碩士研究生。endprint