王　超,黃　銘

(合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,安徽合肥230009)

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考慮銹蝕形態(tài)的弧形閘門有限元分析

王超,黃銘

(合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,安徽合肥230009)

摘要：利用ANSYS軟件建立某水庫(kù)溢流表孔弧形閘門三維有限元模型,結(jié)合弧形閘門銹蝕檢測(cè)數(shù)據(jù)建立弧形閘門銹蝕有限元模型,模擬其全面銹蝕與局部銹蝕進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果表明弧形閘門銹蝕后,銹蝕部位應(yīng)力分布變化明顯,閘門強(qiáng)度和剛度有不同程度的降低。還發(fā)現(xiàn)當(dāng)銹蝕坑位于面板銹蝕敏感部位時(shí),對(duì)面板應(yīng)力的影響較大。研究結(jié)果可用于分析在役弧形閘門的強(qiáng)度和剛度,為弧形閘門的日常管理和銹蝕模擬計(jì)算提供參考。

關(guān)鍵詞：弧形閘門；有限元法；銹蝕形態(tài) ；工作性態(tài)

0引言

弧形閘門是水工建筑物的重要組成部分,由于其封口面積大、啟閉省力、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、泄流條件優(yōu)越以及良好的適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于水利工程中。20世紀(jì)50年代以來(lái),我國(guó)水利水電工程采用了大量的弧形閘門,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行,絕大多數(shù)經(jīng)受住了設(shè)計(jì)條件的考驗(yàn),運(yùn)行性能良好。但由于弧形閘門長(zhǎng)期處于干濕交替、浸沒(méi)水下及高速水流等環(huán)境中,其構(gòu)件極易發(fā)生銹蝕[1]。閘門構(gòu)件銹蝕后,構(gòu)件截面尺寸的削弱會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力加大、位移增加,材料的力學(xué)性能不斷退化,從而導(dǎo)致水工金屬結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的下降,直接影響到設(shè)備的安全運(yùn)行。

近30年來(lái),空間有限元法逐漸成熟并在弧形閘門銹蝕三維分析方面得到了廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)[2]采用單元減薄法(蝕余厚度法)模擬面板的均勻銹蝕以及橫梁、支臂等部位的銹蝕坑,得出了銹蝕對(duì)閘門結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響較大；文獻(xiàn)[3]采用生死單元技術(shù),考慮了銹蝕坑在弧形閘門上的隨機(jī)分布,得出了閘門表面的銹蝕對(duì)閘門內(nèi)力的大小及分布是不能忽視的；文獻(xiàn)[4]采用蝕余厚度法分析面板不同銹蝕區(qū)域的計(jì)算結(jié)果,得出了弧形鋼閘門未出現(xiàn)銹蝕時(shí)等效應(yīng)力較大的部位是其銹蝕敏感部位；文獻(xiàn)[5-6]采用蝕余厚度法分析閘門銹蝕后的靜動(dòng)力特性,得出了銹蝕對(duì)閘門的工作性能有較大影響。

綜上所述,在弧形閘門結(jié)構(gòu)銹蝕有限元計(jì)算中, 建模時(shí)多采用蝕余厚度代替閘門構(gòu)件的真實(shí)厚度,從平均意義上考慮銹蝕作用,相當(dāng)于閘門銹蝕部位均勻銹蝕。但是,鋼材銹蝕后的主要形態(tài)分為全面銹蝕和局部銹蝕,全面銹蝕引起截面尺寸的均勻減薄,用蝕余厚度法去模擬該種銹蝕是可行的,而局部銹蝕主要為不均勻銹蝕,其中由于點(diǎn)蝕、剝蝕等產(chǎn)生的銹蝕坑是最主要也是最危險(xiǎn)的銹蝕失效形式[7],此時(shí)再采用蝕余厚度法去近似模擬銹蝕雖然簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn),但不能精確直觀地將局部較深、較大的銹蝕坑反映在計(jì)算模型上,忽視了銹蝕坑對(duì)弧形閘門內(nèi)力分布的影響；采用生死單元技術(shù)來(lái)模擬銹蝕坑又會(huì)使銹蝕部位的單元單剛矩陣的作用幾乎為零,然而實(shí)際上銹蝕后單元的單剛矩陣是存在的,采用單元生死技術(shù)會(huì)給計(jì)算結(jié)果帶來(lái)誤差。

本文利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)某運(yùn)行多年的弧形閘門建立了三維有限元模型,探討了考慮銹蝕形態(tài)下銹蝕坑的建模方法,結(jié)合弧形閘門銹蝕檢測(cè)數(shù)據(jù)建立弧形閘門全面銹蝕及局部銹蝕有限元模型,分析了銹蝕對(duì)弧形閘門工作性態(tài)的影響,并對(duì)工程中常用的蝕余厚度法進(jìn)行了比較分析。

1數(shù)值分析模型

1.1基本資料

某水庫(kù)溢流表孔弧形閘門為主橫梁斜支臂式潛孔弧形鋼閘門。閘門尺寸為13.0m×18.5m(寬×高),主要由面板、主梁、縱梁及支臂等部件組成。面板弧度半徑為19.5m,面板厚18mm,面板上布置了兩根主橫梁、14根水平次梁及7根縱向隔板。主梁、支臂采用箱型梁,主梁后翼板厚25mm,支臂厚20mm,其余構(gòu)件厚度均小于16mm。

1.2有限元模型

弧形閘門的面板、主梁、縱梁、支臂主要用SHELL63單元離散得到,橫向小梁、支臂連接件橫撐、斜撐離散為BEAM188單元[8]。模型在整體直角坐標(biāo)系下建立,選擇X軸指向上游,Y軸豎直向上,Z軸沿閘門跨度方向指向左,原點(diǎn)位于右側(cè)支鉸軸心處?；⌒伍l門的有限元模型見(jiàn)圖1。

圖1　弧形閘門有限元模型

1.3荷載與約束條件

閘門在運(yùn)行過(guò)程中,主要荷載為自重荷載和水壓力荷載[9]。靜力計(jì)算工況為閘門設(shè)計(jì)水位,閘前水頭21.36m。約束條件取為：支鉸處受3個(gè)方向位移約束及繞X、Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)約束,閘門門體底部與溢流面相交的位置施加豎直方向的位移約束。

2強(qiáng)度和剛度判別標(biāo)準(zhǔn)

(1)

式中,σ1、σ2、σ3為3個(gè)主應(yīng)力。

規(guī)范[8]規(guī)定潛孔式工作閘門最大撓度應(yīng)小于計(jì)算跨度的1/750,主梁計(jì)算跨度為7.768m,因而主梁的最大撓度不得超過(guò)10.4mm?？v梁懸臂部分長(zhǎng)度為7.240m,縱梁的最大撓度不得超過(guò)9.7mm。

3弧形閘門的銹蝕模擬

3.1銹蝕坑的建模方法

通常情況下,弧形閘門不同構(gòu)件或者構(gòu)件的不同位置,因所處環(huán)境的差異及銹蝕過(guò)程本身的隨機(jī)性,其銹蝕程度、銹蝕形狀是各不相同的[12]。工程實(shí)踐中,常將銹蝕位置的材料厚度直接減薄以此來(lái)模擬銹蝕坑,該方法雖然簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn),但不能充分反應(yīng)銹蝕坑的銹蝕形態(tài),為了更有效地模擬銹蝕坑的銹蝕形態(tài),有必要對(duì)銹蝕坑進(jìn)行深入建模。由SHELL63的單元特性可知,其單元厚度是由設(shè)置在4個(gè)節(jié)點(diǎn)處的實(shí)常數(shù)來(lái)確定的,且假定單元內(nèi)的厚度均勻變化。因此可以設(shè)想通過(guò)減小銹蝕部位節(jié)點(diǎn)處的實(shí)常數(shù)來(lái)減小單元在該節(jié)點(diǎn)處的厚度,從而使銹蝕部位從邊緣向中心逐漸加深,這樣就可以較好地模擬銹蝕坑,使銹蝕坑的有限元模型更接近銹蝕坑的實(shí)際形態(tài)。從而避免了采用蝕余厚度法模擬較深銹蝕坑的不科學(xué)[3]以及生死單元技術(shù)模擬銹蝕坑所引起的單元?jiǎng)偠染仃噹缀鯙榱愕娜秉c(diǎn)。根據(jù)此方法(以下稱為節(jié)點(diǎn)厚度法)利用ANSYSAPDL高級(jí)分析技術(shù)建立的矩形板銹蝕坑有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖2。

圖2　帶有銹蝕坑的有限元模型

構(gòu)件未銹蝕最大等效應(yīng)力/MPa所在部位銹蝕最大等效應(yīng)力/MPa所在部位面板251上主梁與上方小橫梁、與主縱梁連接部位261上主梁與上方小橫梁、與主縱梁連接部位上主梁250腹板與上支臂外側(cè)連接部位257腹板與上支臂外側(cè)連接部位下主梁240腹板與下支臂內(nèi)側(cè)連接部位248腹板與下支臂內(nèi)側(cè)連接部位主縱梁237上主梁與支臂、主縱梁連接部位245上主梁與支臂、主縱梁連接部位邊梁129與上主梁連接部位133與上主梁連接部位支臂260支臂外側(cè)與主梁連接處264支臂外側(cè)與主梁連接處

3.2銹蝕模型的建立

結(jié)合銹蝕檢測(cè)數(shù)據(jù)及弧形閘門實(shí)際工作狀態(tài),在銹蝕比較嚴(yán)重的面板及邊梁漏水的右下角區(qū)域分別設(shè)置密集銹蝕坑,以此來(lái)考慮局部銹蝕。為了充分探討銹蝕坑對(duì)弧形閘門的影響,銹蝕坑深度均取為最大檢測(cè)坑深3.0mm。面板、邊梁的銹蝕坑布置位置見(jiàn)圖3。對(duì)于該弧形閘門其余部位,由于銹蝕相對(duì)較均勻,可認(rèn)為是全面銹蝕,采取平均蝕余度法來(lái)考慮這些部位的銹蝕。依據(jù)弧形閘門銹蝕檢測(cè)報(bào)告,閘門銹蝕量分布情況如下：①面板平均銹蝕量為0.381mm；②門梁平均銹蝕量為0.394mm；③支臂平均銹蝕量為0.351mm。

圖3　面板及邊梁銹蝕坑布置

3.3銹蝕對(duì)閘門應(yīng)力的影響

圖4　面板局部銹蝕區(qū)銹蝕前后等效應(yīng)力云圖

表1為弧形閘門在設(shè)計(jì)水位及自身重力作用下,閘門銹蝕前后各構(gòu)件最大等效應(yīng)力及其位置。圖4為面板右下角設(shè)置銹蝕坑部位(面板局部銹蝕區(qū))銹蝕前后應(yīng)力云圖,圖5為邊梁下主梁以下設(shè)置銹蝕坑部位(邊梁局部銹蝕區(qū))銹蝕前后云圖。

圖5　邊梁局部銹蝕區(qū)銹蝕前后等效應(yīng)力云圖

由表1可知：弧形閘門銹蝕前后,面板的最大等效應(yīng)力均小于規(guī)范要求,其余構(gòu)件的最大等效應(yīng)力均出現(xiàn)在局部承壓區(qū),且均小于局部允許承壓應(yīng)力[σcd]；弧形閘門銹蝕后,強(qiáng)度有所下降,各構(gòu)件的最大等效應(yīng)力有所增加,增加幅度為3%左右,最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置沒(méi)有變化。調(diào)取計(jì)算結(jié)果可以知道,局部承壓區(qū)以外的其余部位均小于容許應(yīng)力[σ],滿足規(guī)范要求。

對(duì)于面板及邊梁的局部銹蝕區(qū)域,由圖4、5可以看出,設(shè)置銹蝕坑之后,局部銹蝕區(qū)域應(yīng)力分布變化較明顯,最大應(yīng)力有所增加,產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,邊梁局部銹蝕區(qū)域較大應(yīng)力出現(xiàn)的范圍有所擴(kuò)大。

3.4銹蝕對(duì)弧形閘門變形的影響

表2給出了弧形閘門銹蝕前后整體及各構(gòu)件的最大變形值。

表2　閘門各構(gòu)件銹蝕前后最大變形值　mm

由表2可以知道,弧形閘門銹蝕后,整體及各部件的最大變形均增大,其中上主梁的變形增幅最大,增幅約為4.5%,其余構(gòu)件變形增幅較小,可見(jiàn)銹蝕會(huì)使弧形閘門的剛度有一定程度的降低。

3.5銹蝕坑深度對(duì)面板銹蝕敏感部位應(yīng)力的影響

由水工鋼閘門和啟閉機(jī)安全檢測(cè)技術(shù)規(guī)程[9]可知,銹蝕程度分為Ⅰ～Ⅴ5類,前文已述,局部銹蝕危險(xiǎn)性較大,而當(dāng)局部銹蝕位于閘門銹蝕敏感部位時(shí),對(duì)閘門的安全運(yùn)行更加不利,探究其位于弧形閘門銹蝕敏感部位時(shí)對(duì)閘門工作性態(tài)的影響有較大的意義。由表1計(jì)算結(jié)果可知,該弧形鋼閘門等效應(yīng)力較大的部位(即銹蝕敏感部位)出現(xiàn)在上主梁與上方小橫梁、與主縱梁連接處,在該位置設(shè)置銹蝕坑,銹蝕坑深度取為Ⅰ～Ⅴ類情況,銹蝕程度Ⅰ～V的銹蝕深度分別取1、2、3、4、5mm。提取面板最大等效應(yīng)力,并繪制面板最大等效應(yīng)力隨銹蝕深度的變化曲線如圖6所示。

圖6　面板銹蝕敏感部位最大等效應(yīng)力隨銹蝕深度變化

由圖6可以知道,當(dāng)銹蝕坑位于閘門面板銹蝕敏感部位時(shí),隨著銹蝕深度的增加,面板的最大等效應(yīng)力基本上呈線性快速增長(zhǎng)。同面板實(shí)際檢測(cè)的局部銹蝕區(qū)(圖3區(qū)域)相比,銹蝕深度同樣為3mm時(shí),銹蝕敏感區(qū)等效應(yīng)力的增加幅度大于圖3局部銹蝕區(qū)等效應(yīng)力的增加幅度?？梢?jiàn),當(dāng)銹蝕坑位于銹蝕敏感部位時(shí),其對(duì)閘門應(yīng)力的影響更大。因此,工程實(shí)踐中可以先對(duì)弧形閘門進(jìn)行有限元分析計(jì)算,通過(guò)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果確定其銹蝕敏感部位,對(duì)該部位進(jìn)行重點(diǎn)檢測(cè)監(jiān)控,加強(qiáng)防腐維護(hù)處理,及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患,以確?；⌒伍l門安全運(yùn)行。

3.6蝕余厚度法的討論

圖7　兩種模擬方法下面板局部銹蝕區(qū)等效應(yīng)力隨銹蝕深度變化

工程實(shí)踐中,在銹蝕坑出現(xiàn)位置直接運(yùn)用蝕余厚度法難以反映銹蝕坑的實(shí)際形態(tài),但由于該方法簡(jiǎn)單易行而在閘門銹蝕有限元分析中得到廣泛應(yīng)用。本文所用節(jié)點(diǎn)厚度法相當(dāng)于銹蝕坑從邊緣向中心逐漸加深,如圖2,更符合銹蝕坑的實(shí)際形態(tài)。結(jié)合面板局部銹蝕區(qū)域(圖3),分別運(yùn)用蝕余厚度法與節(jié)點(diǎn)厚度法模擬該區(qū)域的銹蝕,其中,用節(jié)點(diǎn)厚度法建立的銹蝕坑相鄰、連續(xù)地布置在該區(qū)域,提取兩種模擬方法計(jì)算得到的該區(qū)域最大等效應(yīng)力并繪制隨銹蝕深度的變化曲線見(jiàn)圖7。

由圖7可知,對(duì)該弧形閘門面板局部銹蝕區(qū)域運(yùn)用單元均勻減薄(蝕余厚度法)與均勻設(shè)立銹蝕坑(節(jié)點(diǎn)厚度法)計(jì)算結(jié)果分析可知：當(dāng)銹蝕深度為1mm時(shí),兩者的計(jì)算結(jié)果相差6.7%,銹蝕深度為3mm時(shí),計(jì)算結(jié)果相差達(dá)17.8%,銹蝕深度達(dá)到5mm時(shí),計(jì)算結(jié)果相差達(dá)到了34.3%,且兩種方法的計(jì)算結(jié)果差距隨銹蝕深度的增加而明顯加大。蝕余厚度法是直接對(duì)銹蝕區(qū)域進(jìn)行折減,忽略了銹蝕坑的實(shí)際形態(tài),而節(jié)點(diǎn)厚度法所建立的銹蝕坑較好地符合銹蝕坑的實(shí)際銹蝕形態(tài),計(jì)算結(jié)果更符合閘門實(shí)際狀態(tài)。

4結(jié)語(yǔ)

弧形閘門銹蝕后,會(huì)影響閘門的工作性態(tài),會(huì)引起閘門應(yīng)力集中、應(yīng)力分布變化明顯、變形增大,且隨著銹蝕深度的增加,其影響愈發(fā)明顯,尤其當(dāng)銹蝕坑位于銹蝕敏感部位時(shí),對(duì)閘門應(yīng)力的影響更大,因此對(duì)閘門銹蝕敏感區(qū)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注；本文建立銹蝕坑的方法可以精確地將銹蝕坑的位置、形態(tài)反應(yīng)在弧形閘門上,所建立的銹蝕坑更貼近閘門銹蝕坑的實(shí)際形態(tài)。在弧形閘門有限元分析中,應(yīng)盡量建立反映銹蝕坑形態(tài)的離散模型,以獲得更真實(shí)的閘門運(yùn)行狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王守強(qiáng). 水工鋼閘門防腐[M]. 北京: 水利水電出版社, 1979.

[2]宋詠春, 陳家權(quán), 李文娟. 弧形鋼閘門的安全性能評(píng)估研究[J]. 現(xiàn)代制造工程, 2005, (11): 53- 55.

[3]余向明, 劉曉青. 銹蝕對(duì)弧形閘門工作性態(tài)的影響分析[J]. 水電能源科學(xué), 2008, 26(5): 166- 168.

[4]劉悅鑫, 王鑫, 王軍林, 等. 弧形鋼閘門三維非線性有限元分析[J]. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 37(3): 101- 105.

[5]承芳瑋, 張燎軍, 田宏吉, 等. 銹蝕對(duì)弧形鋼閘門的強(qiáng)度及動(dòng)力特性的影響[J]. 中國(guó)農(nóng)村水利水電, 2015(1): 125- 128.

[6]董現(xiàn), 董功強(qiáng). 水工閘門銹蝕后動(dòng)力性能研究[J]. 水利水電技術(shù), 2012, 43(6): 44- 47.

[7]秦廣沖. 腐蝕坑對(duì)鋼材應(yīng)力集中系數(shù)及疲勞損傷影響研究[D]. 西安: 西安建筑科技大學(xué), 2014.

[8]付建科, 范萬(wàn)里, 盧進(jìn)玉, 等. 葛洲壩水利樞紐二號(hào)船閘事故檢修門有限元分析[J]. 水力發(fā)電, 2009, 35(10): 82- 84.

[9]曹青, 才君眉, 王光綸. 弧形鋼閘門的靜力分析[J]. 水力發(fā)電, 2005, 31(3): 64- 66.

[10]SL74—2013 水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[11]DL/T835—2003 水工鋼閘門和啟閉機(jī)安全檢測(cè)技術(shù)規(guī)程[S].

[12]王長(zhǎng)江. 考慮腐蝕形態(tài)影響的平面鋼閘門結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算分析[D]. 南京: 河海大學(xué), 2008.

(責(zé)任編輯高瑜)

收稿日期：2015- 11- 18

作者簡(jiǎn)介：王超(1988—),男,江蘇新沂人,碩士研究生,研究方向?yàn)樗そY(jié)構(gòu)；黃銘(通訊作者)．

中圖分類號(hào)：TV34

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0559- 9342(2016)04- 0072- 05

FiniteElementAnalysisofRadialGateConsideringCorrosionForms

WANGChao,HUANGMing

(SchoolofCivilEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,Anhui,China)

Abstract:The 3D finite element models are established for the radial steel gate of a reservoir spillway by software ANSYS. The corrosion finite element models of radial gate are also established according to corrosion detection data of radial gate to simulate uniform corrosion and local corrosion. The calculation results show that, (a) the stress distribution of gate is significantly changed and the strength and stiffness also have different degrees of reduction after corrosion; and (b) the corrosion pits have a greater effect on the stress of gate panel when they are located in sensitive part of gate. The research results can be used to analyze the rigidity and strength of radial gate in service, and provide some references for the daily management of radial gate and the calculation of corrosion．

Key Words:radial gate; finite element method; corrosion form; work performance