王慧斌，樊雪鈺

推廣應(yīng)用

(1.黑龍江省七臺(tái)河水務(wù)局，黑龍江 七臺(tái)河 154600；2.黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

?

Solidworks在鋼閘門有限元分析中的應(yīng)用探討

王慧斌1，樊雪鈺2

推廣應(yīng)用

(1.黑龍江省七臺(tái)河水務(wù)局，黑龍江 七臺(tái)河 154600；2.黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

摘要：鋼閘門是擋水與泄水建筑物的重要組成部分，鋼閘門的安全與否直接關(guān)系到水庫(kù)下游群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全；由于鋼閘門是空間結(jié)構(gòu)，很難實(shí)現(xiàn)手算，因此傳統(tǒng)的計(jì)算方法一貫是將鋼閘門簡(jiǎn)化為平面結(jié)構(gòu)再進(jìn)行計(jì)算，這種計(jì)算方法精度不足。有限單元法作為一種新興的工具，能夠?qū)崿F(xiàn)較精確的計(jì)算分析。文章探討了如何利用有限元對(duì)鋼閘門進(jìn)行建模、靜力學(xué)分析，并和傳統(tǒng)的計(jì)算方法行進(jìn)對(duì)比。

關(guān)鍵詞：鋼閘門；三維；Solidworks;有限元；分析；應(yīng)用

黑龍江七臺(tái)河市某水庫(kù)輸水洞，工作閘門孔口尺寸為1.5m×1.8m，底檻高程192.00，設(shè)計(jì)洪水位195.00，設(shè)計(jì)水頭H=3.0m。閘門采用平面滑動(dòng)式鋼閘門，面板布置在上游側(cè)，單吊點(diǎn)，雙主梁結(jié)構(gòu)，梁系采用等高連接。文章擬使用達(dá)索Solidworks的有限元分析模塊SolidWorks Simulation對(duì)此鋼閘門進(jìn)行分析計(jì)算，并和按照《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 64—2013)的手算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比探討。

1有限元及達(dá)索Solidworks三維設(shè)計(jì)軟件簡(jiǎn)介

作為一種求解偏微分方程數(shù)值解的數(shù)學(xué)方法，有限單元法理論成形并發(fā)展于20世紀(jì)50—60年代，由于當(dāng)時(shí)理論尚處于成形階段，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用尚未普及，這使得有限單元法的應(yīng)用大大受到限制。從上世紀(jì)70年代末起，隨著計(jì)算機(jī)的普及，有限元單元法開(kāi)始普及，同時(shí)也出現(xiàn)了很多大型有限元商業(yè)程序。如今，有限元已廣泛應(yīng)用于機(jī)械，巖木，橋梁等各個(gè)領(lǐng)域。

Solidworks是當(dāng)今主流的機(jī)械設(shè)計(jì)三維建模軟件之一，同時(shí)，其集成了Simulation有限元分析模塊。和大型商業(yè)有限元分析軟件ANSYS相比，Solidworks具有強(qiáng)大的建模能力，而Simulation操作簡(jiǎn)單，易于上手。從實(shí)體建模，材料給定，加載邊界條件，再到求解均非常方便。

2鋼閘門的設(shè)計(jì)工況和結(jié)構(gòu)參數(shù)

鋼閘門的面板尺寸為1940mm×1830mm，閘門采用雙主梁結(jié)構(gòu)，主梁采用型鋼I25a，頂梁采用組合梁，底梁采用型鋼I16。在閘門中間設(shè)置一道豎直次梁，豎直次梁亦采用型鋼I25。閘門的梁系布置尺寸見(jiàn)圖1～2。

圖1　閘門梁系側(cè)視圖

圖2　閘門水壓力示意圖

3鋼閘門的傳統(tǒng)應(yīng)力計(jì)算

如前所述，鋼閘門主要是由面板，邊梁，主梁與次梁構(gòu)成一個(gè)空間的受力結(jié)構(gòu)，鋼閘門的內(nèi)力計(jì)算與分析按照SL 74《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》執(zhí)行。

閘門所受的水壓力圖如圖3 所示。

3.1主梁荷載的確定

閘門主梁的載荷分配按照“相鄰間距之和半法”原則進(jìn)行確定，即主梁的受荷寬度b為上下梁間距之和的1/2。

圖3　閘門梁格布置圖

首先計(jì)算下主梁的荷載。

下主梁與上下梁系的間距:

b1=400mm，b2=350mm

下主梁的受荷寬度：

B=b1+b2=375mm

下主梁設(shè)計(jì)水頭：

Hs=2.55m

下主梁中心線水壓強(qiáng)度：

p=ρgHs=25 kN/m2

下主梁所受線荷載：

q1=pb=9.4kN/m

同理，上主梁的受荷寬度：

上主梁設(shè)計(jì)水頭：

Hs=1.7m

上主梁中心線水壓強(qiáng)度：

p=ρgHs=16.7 kN/m2

上主梁所受線荷載：

q2=pb=7.5 kN/m

由此可見(jiàn)，下主梁所受的線荷載比較大，因上下主梁截面相同，只需校核下主梁的內(nèi)力即可[1]。

3.2主梁的截面特性

主梁采用工字鋼I25a，面板參與下主梁梁格抗彎的有效寬度B根據(jù)《鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》可取為B=300。計(jì)算截面如圖4所示。

主梁的截面特性參數(shù)如下：

3.3下主梁驗(yàn)算

主梁的計(jì)算長(zhǎng)度：l=1.8m

圖4　主梁計(jì)算截面圖

主梁承受均布荷載，最大彎矩發(fā)生在主梁跨中截面，其最大彎矩值為：

主梁的跨中最大應(yīng)力為：

其中鋼材的彈性模量取為：E=210Gpa。

3.4面板區(qū)格的應(yīng)力計(jì)算

主梁與次梁將面板劃分為不同的區(qū)格，面板區(qū)格中間的應(yīng)力值為最大，區(qū)格的應(yīng)力可按照彈性理論薄板計(jì)算公式求得，即：

(1)

式中:a為區(qū)格短邊長(zhǎng)度；p為區(qū)格中性線水壓力強(qiáng)度；δ為面板厚度；k為彈性壁板彎曲應(yīng)力系數(shù)，可查閱《鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]。

通過(guò)計(jì)算，可得到面板區(qū)格最大應(yīng)力值，如圖5所示。

圖5　面板區(qū)格最大應(yīng)力

4鋼閘門solidworks有限元分析

4.1鋼閘門建模

鋼閘門建模使用達(dá)索Solidworks軟件完成，建模中需要注意的是，為了提高網(wǎng)格劃分的成功率，對(duì)于閘門中的次要構(gòu)件可以予以忽略，譬如主次梁連接處的加勁肋板，止水壓板等。建模完成后的閘門模型如圖6所示。

圖6　鋼閘門三維模型

4.2有限元分析前處理

加載Solidworks simulation模塊插件，進(jìn)入solidworks有限元分析界面。Solidwork有限元分析前處理主要包括指定材料，定于夾具，加載外部荷載，網(wǎng)格化。

1)材料指定：閘門材料指定為普通碳鋼，其彈性模量E=2.1×1011MPa，泊松比μ=0.3。

2)定義夾具：閘門承受水壓力時(shí)，通過(guò)滑塊將力傳給閘墩，因此，將滑塊接觸面定義為固定支座。

3)加載外部荷載：閘門承受的外部荷載為水壓力，由于水壓力沿高閘門度線形分布，simulation中不能直接加載水壓力。因此 ，可通過(guò)定義非均勻壓力等效為水壓力。

4)生成網(wǎng)格：在生成網(wǎng)格中，要注意的是網(wǎng)格密度參數(shù)，網(wǎng)格密度參數(shù)的設(shè)定會(huì)對(duì)最后的求解精度產(chǎn)生影響，一般說(shuō)來(lái)在一定范圍內(nèi)，網(wǎng)格密度越高，求解精度越好。但網(wǎng)格密度超過(guò)一定范圍后，對(duì)求解精度的影響就非常小了，同時(shí)，網(wǎng)格設(shè)置過(guò)密也意味著計(jì)算機(jī)計(jì)算、分析、求解時(shí)間的增加[3]。

網(wǎng)格密度，網(wǎng)格參數(shù)和雅克比點(diǎn)的設(shè)置均可以先按照系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置。求解之后可再對(duì)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。生成的網(wǎng)格見(jiàn)圖7。

圖7　鋼閘門網(wǎng)格劃分

參數(shù)設(shè)置完成后即可運(yùn)行求解，求解結(jié)果見(jiàn)圖8～9。

圖8　閘門應(yīng)力云圖

圖9　閘門位移云圖

5結(jié)果比較

兩種計(jì)算方式下，鋼閘門主要受力構(gòu)件的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1：

表1　閘門主要受力構(gòu)件計(jì)算結(jié)果表

6分析與探討

由表1可見(jiàn)，通過(guò)有限元計(jì)算的結(jié)果比按照SL74—95規(guī)范的計(jì)算結(jié)果偏低。

前面已說(shuō)過(guò)，鋼閘門是屬于空間結(jié)構(gòu)，鋼閘門在擋水時(shí)，不僅僅主梁承受水壓力，與主梁焊接的水平次梁和豎直次梁同樣也參與抗彎。而利用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算方法，很難精確計(jì)算主次梁的應(yīng)力分布。因此在規(guī)范SL 74中，將鋼閘門簡(jiǎn)化為平面結(jié)構(gòu)，鋼閘門的計(jì)算模型中假設(shè)主梁承受全部的水壓力，次梁僅僅是參與面板區(qū)格劃分，同時(shí)為了考慮空間結(jié)構(gòu)的受力效應(yīng)，降低計(jì)算誤差，將一部分面板視為主梁前翼緣，參與擋水抗彎，面板參與主梁抗彎的長(zhǎng)度通過(guò)模型試驗(yàn)進(jìn)行確定。

早在1988年新版《鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》頒布出臺(tái)，鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算就開(kāi)始采用以概率理論為基礎(chǔ)的概率極限設(shè)計(jì)法，但2013年新版《鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》出臺(tái)后，所采用的計(jì)算方法仍是沿用以前的容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法，這主要是因?yàn)楝F(xiàn)階段關(guān)于鋼閘門的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)掌握的太少，需要繼續(xù)統(tǒng)計(jì)和調(diào)查的緣故。但是容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法是一種相當(dāng)落后的方法，由于不能考慮鋼閘門在不同工作條件下的設(shè)計(jì)工況，因此所求得的應(yīng)力分布總是偏于保守。通過(guò)有限元的計(jì)算結(jié)果可以看出，由于有限元計(jì)算將閘門視為一個(gè)整體，因此得到的應(yīng)力數(shù)值偏小，從總的趨勢(shì)上來(lái)看，這個(gè)結(jié)果有一定的合理性，可以作為設(shè)計(jì)參考。

由于電算的普及，有限元計(jì)算的優(yōu)勢(shì)在于，即使是受力體的形狀不規(guī)則，邊界條件較復(fù)雜，任然可以對(duì)受力體做靜力學(xué)，動(dòng)力學(xué)，振動(dòng)的分析。有些受力模型利用傳統(tǒng)計(jì)算方法會(huì)有一些難度，而對(duì)模型過(guò)度簡(jiǎn)化有可能會(huì)產(chǎn)生較大的計(jì)算偏差，利用有限元分析則可以較為容易地解決。同時(shí)和其有限元軟件相比，Solidworks有限元分析的優(yōu)勢(shì)在于建模容易，分析過(guò)程易于上手，操作簡(jiǎn)單，同時(shí)提供較為豐富的幫助案例。在鋼閘門的設(shè)計(jì)中，利用Solidwoeks對(duì)鋼閘門建模并進(jìn)行靜力學(xué)，動(dòng)力學(xué)及振動(dòng)的有限元分析，是一種行之有效的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證方法，在水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可以發(fā)揮重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)水利部.SL 74—95鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)水利水電出版社，2013.

[2]水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫(xiě)組.水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)金屬結(jié)構(gòu)(一)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，1988：20-70.

[3]二代龍震工作室.Solidworks 2011高級(jí)設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011：16-87.

Application of Solidworks in Steel Gate Finite Element Analysis

WANG Hui-bin1and FAN Xue-yu2

(1.Qitaihe Water Affairs Bureau Heilong, Qitaihe 154600, China;2.Heilongjiang Provincial Water Conwervancy & Hydroelectric Power Investigation, Design and Research Institute, Harbin 150080, China)

Abstract：The steel gate is an important composition of water retaining and drainage building, whether the steel gate is safe relates directly to the life and property safety of the mass living at the downstream of the reservoir.Hand computation is difficult to be realized because the steel gate belongs to the spatial structure, the steel gate is always simplified as a planar structure and then calculated in the traditional computation method, and this calculation method is not accurate enough.As a kind of new tool, the limited unit method is capable to achieve more accurate calculation and analysis.The paper discusses how to use finite elements to construct model and conduct statistic analysis for the steel gate and compare with the traditional computation method.

Key words：steel gate; three-dimension; Solidworks; finite element；analysis；application

中圖分類號(hào)：TV663.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

[作者簡(jiǎn)介]王慧斌(1985-)，男，吉林伊通人，工程師；樊雪鈺(1987-)，男，青海西寧人，工程師。

[收稿日期]2015-08-28

文章編號(hào)：1007-7596(2016)01-0087-04