向 陽，金 龍，宋遠(yuǎn)卓，陳文琛

(杭州國電機(jī)械設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州 310030)

0 引言

思林水電站壩址河段為Ⅳ級航道，通航建筑物按一次通過500 t級的機(jī)動單船設(shè)計。通航建筑物的型式為全平衡鋼絲繩卷揚(yáng)式垂直升船機(jī)。垂直升船機(jī)布置于樞紐左岸，由上游引航道、過壩渠道、本體段、下閘首、下游引航道等建筑物組成，總長約1 120 m，軸線方位垂直于壩軸線。

升船機(jī)承船廂通過鋼絲繩與主提升機(jī)連接，通過卷筒的正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)承船廂的升降。為滿足船廂運(yùn)行與閘首對接的需要，船廂上設(shè)置了具有相應(yīng)功能的設(shè)備。在船廂頭兩端設(shè)有船廂門、廂門啟閉機(jī)及防撞設(shè)備等［1］。

承船廂臥倒門承受廂體內(nèi)外水體的梯度載荷，水體的擾動導(dǎo)致臥倒門承受振動載荷。臥倒門在頻繁的開啟、關(guān)閉過程中，承受來自啟閉機(jī)及承船廂的沖擊交變載荷。

承船廂臥倒門隨著船舶進(jìn)出船廂，需要經(jīng)常開啟或關(guān)閉，設(shè)計時應(yīng)該考慮閘門各部件承受不同程度的動力載荷，為了研究不同振動激勵下對門體結(jié)構(gòu)可能造成的影響，有必要對閘門的自振特性進(jìn)行研究，從而為進(jìn)一步的動力學(xué)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計打下基礎(chǔ)［2］。

1 臥倒門的結(jié)構(gòu)簡介

承船廂臥倒門主要由迎水面板、縱筋和橫筋、連接支座、水封、水封壓板等部分組成，思林升船機(jī)承船廂臥倒門的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 思林升船機(jī)承船廂臥倒門三維結(jié)構(gòu)

升船機(jī)承船廂臥倒門位于承船廂廂頭部分，通過相對于承船廂縱向中心線對稱布置的兩套液壓啟閉機(jī)同步驅(qū)動，實現(xiàn)臥倒門的開啟和關(guān)閉。

升船機(jī)承船廂臥倒門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于:包括門體、U型密封橡膠，用于連接U型密封橡膠的螺栓，門體底座，用于連接啟閉機(jī)的連接臂和用于連接門體底座與連接臂的螺栓。門體迎水面的兩側(cè)及下部，通過螺栓連接有一U型框架的止水密封橡膠，門體底部固定有門體底座，門體底座與連接臂通過螺栓固定連接。

迎水面板厚度為10 mm，沿高度方向布置橫向通筋的間距分別為1 400 mm、1 600 mm，沿寬度方向布置的縱筋間距控制在2 300 mm以內(nèi)。臥倒門下方對稱布置兩個帶內(nèi)花鍵的支座，與啟閉機(jī)的外花鍵軸配合，以實現(xiàn)臥倒門的開啟與關(guān)閉，在支座附近設(shè)計局部桁架結(jié)構(gòu)，以加強(qiáng)支座處的安全系數(shù)，如表1。

表1 臥倒門主要結(jié)構(gòu)參數(shù) /m

2 臥倒門的結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

2.1 模型簡化

以思林升船機(jī)承船廂臥倒門為例，基于Solidworks，建立臥倒門的三維實體模型。螺栓連接部分不計入建模過程，通過Solidworks與Ansys的無縫接口，將臥倒門實體模型導(dǎo)入Ansys。

2.2 數(shù)值模型的建立

承船廂臥倒門材料選用Q345，采用APDL語言定義材料的彈性模量、泊松比、密度等。

采用實體單元Solid92對模型進(jìn)行離散化，Solid92單元是帶中間節(jié)點(diǎn)的四面體單元，有利于將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)劃分出四面體，建立如圖2所示的思林升船機(jī)結(jié)構(gòu)有限元模型，該有限元模型劃分為120 059個節(jié)點(diǎn)、65 106個單元。

圖2 思林升船機(jī)承船廂臥倒門數(shù)值模型

2.3 邊界條件的給定

當(dāng)臥倒門關(guān)閉時，臥倒門底部支座固定約束，臥倒門與承船廂廂頭門檻接觸面受沿船廂縱向的約束。臥倒門受自重作用，不需要考慮靜水壓力、動水壓力、波浪壓力等其它載荷［3］。

2.4 求解結(jié)果與分析

升船機(jī)承船廂臥倒門結(jié)構(gòu)復(fù)雜，板形種類繁多，并且存在避免應(yīng)力集中的過渡圓角，升船機(jī)承船廂臥倒門數(shù)值模型的單元多，具有較多較差形狀的單元。對大型數(shù)值模型的前六階模態(tài)進(jìn)行分析適合采用Block Lanczos法進(jìn)行求解，Block Lanczos法還可以處理較多具有較差單元形狀的有限元計算模型［4］。

后處理結(jié)果表明:

(1)當(dāng)外部激勵的頻率與臥倒門自振頻率接近時，將可能導(dǎo)致臥倒門的共振，使得臥倒門的局部強(qiáng)度、剛度急劇增大，造成結(jié)構(gòu)損傷。

(2)由表2和圖3可知，振動較嚴(yán)重的部分是門體上下邊緣、左右端部及加強(qiáng)桁架處，也是承船廂臥倒門振動的危險區(qū)域。其中，前3階模態(tài)振型表明承船廂臥倒門橫筋板中上部及端部相對整個門體而言是薄弱環(huán)節(jié);第四階模態(tài)振型表明門體橫筋板中上部及內(nèi)側(cè)加強(qiáng)桁架是薄弱環(huán)節(jié);第五階模態(tài)振型表明臥倒門的加強(qiáng)桁架相對而言是薄弱環(huán)節(jié)。

表2 思林升船機(jī)承船廂臥倒門的前6階模態(tài)頻率

圖3 升船機(jī)承船廂臥倒門前五階模態(tài)及其振型

3 結(jié)語

通過對思林升船機(jī)承船廂臥倒門的自振特性的研究，得出了前六階固有頻率及其振型，分析了臥倒門在不同振動頻率下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度的變化特點(diǎn)，找出了臥倒門結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，為臥倒門的動力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

［1］ 譚守林.思林水電站500 t級垂直升船機(jī)設(shè)計布置［J］.貴州水力發(fā)電，2008(4):62－65.

［2］ 張學(xué)良，王家營，連晉華.基于ANSYS的橋式起重機(jī)主梁模態(tài)分析［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，2007(11):56－58.

［3］ 聞邦椿，劉風(fēng)翹.振動機(jī)械的理論及應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

［4］ 廖湘輝，陳文琛，孫海濤，等.丹江口加高工程布料機(jī)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，2012(11):82－84.