張維杰,嚴(yán)根華
(1.山東省水利科學(xué)研究院、山東水利巖土工程公司,山東 濟(jì)南 250014;2.南京水利科學(xué)研究院,江蘇 南京 210029)
底軸驅(qū)動翻板閘門動力特性數(shù)值分析
張維杰1,嚴(yán)根華2
(1.山東省水利科學(xué)研究院、山東水利巖土工程公司,山東 濟(jì)南 250014;2.南京水利科學(xué)研究院,江蘇 南京 210029)
以蘇州河河口水閘工程底軸驅(qū)動翻板閘門為例,基于有限元分析方法和流固耦合理論,采用數(shù)值分析的方法,分別計(jì)算分析了無水、有水時閘門結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型,并通過比較揭示了流體對底軸驅(qū)動翻板閘門動力特性分析的影響。
翻板閘門;動力特性;有限元分析;流固耦合
底軸驅(qū)動翻板閘門作為一種新型閘門結(jié)構(gòu),由于其具有門頂過水形成人工瀑布、啟閉靈活可調(diào)、臥門行洪、雙向擋水、無礙通航等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于城市河道管理中。在其運(yùn)行過程中,閘門的靜力特性一般滿足要求,但受動水壓力的影響,閘門結(jié)構(gòu)常發(fā)生強(qiáng)烈振動,甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)動力失穩(wěn)而破壞,造成重大事故。本文借助有限元分析軟件ANSYS,研究了無水、有水時閘門結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型,并通過比較揭示了流體對底軸驅(qū)動翻板閘門動力特性分析的影響。
處于流場中的結(jié)構(gòu)與流體之間存在相互作用與相互影響,這種理論被稱作流固耦合理論。對于閘門結(jié)構(gòu),其可進(jìn)一步解釋為:閘門在水體中運(yùn)行時,在水動荷載作用下會產(chǎn)生振動,閘門的這種振動必然導(dǎo)致流場壓力的波動,流場壓力波動又進(jìn)而影響閘門結(jié)構(gòu)的振動,這是一個典型流固耦合振動問題。
分析結(jié)構(gòu)的固有動力特性,最主要的就是求結(jié)構(gòu)的自振頻率及其對應(yīng)的振型。結(jié)構(gòu)在坐標(biāo)系中離散化后的動力平衡方程為:
其中,[M]、[C]、[K]分別為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣;δ¨{}、δ.{}、{}δ 分別為結(jié)點(diǎn)的加速度、速度和位移;Fs(t{})為結(jié)構(gòu)耦合面上結(jié)點(diǎn)處的動水壓力;{FG(t)}為結(jié)構(gòu)上的其余作用力。
當(dāng)考察結(jié)構(gòu)的自由振動時,結(jié)構(gòu)所受其余作用力{FG(t)}為0。與此同時,大量實(shí)例證明,結(jié)構(gòu)的阻尼矩陣對結(jié)構(gòu)自振頻率和振型的影響極小,可忽略不計(jì)。簡化后的動力平衡方程變?yōu)椋?/p>
2.1 閘門結(jié)構(gòu)布置
蘇州河河口水閘工程底軸驅(qū)動翻板閘門主要部件包括:閘門門葉結(jié)構(gòu)、底軸總成、拐臂部件、跨中和端部支鉸。其中,閘門門葉為主縱梁結(jié)構(gòu),門葉總寬23.9 m,凈高3.5 m,門葉沿高度方向設(shè)置5道水平次橫梁和1道頂梁。
2.2 有限元模型
底軸驅(qū)動翻板閘門有限元模型的建立依次可分為幾何模型、實(shí)體模型和有限元模型三步。為反應(yīng)閘門受力情況,單元類型選擇三維固體結(jié)構(gòu)單元Solid185,網(wǎng)格劃分方法采用四面體網(wǎng)格,單元大小根據(jù)閘門結(jié)構(gòu)構(gòu)件的位置、形狀和尺寸分別設(shè)置,網(wǎng)格劃分后形成的有限元模型如圖1所示。其中,閘門共離散成531 426個單元,生成168 125個節(jié)點(diǎn),門葉質(zhì)量為68 273 kg。
2.3 邊界條件的處理
在數(shù)值計(jì)算中,閘門門體設(shè)置為整體結(jié)構(gòu),可滿足門體焊接的要求;底軸與門體接觸部位通過粘結(jié)操作連接,剛度比螺栓連接大;施加邊界約束的部位有吊耳環(huán)、底軸與支座接觸部位,對上述兩個邊界作如下處理:1)拐臂與啟閉機(jī)系統(tǒng)連接處的吊耳環(huán)直接采用剛接的方法,即約束了閘門的6個自由度,在一定程度上能模擬閘門全關(guān)時邊界條件;2)閘門底軸與支座相接觸的環(huán)面采用柱約束,釋放環(huán)面切向的約束而保留環(huán)面軸向與徑向約束,模擬底軸相對支座的轉(zhuǎn)動。
圖1 閘門結(jié)構(gòu)有限元模型圖(去除支座)
2.4 閘門干模態(tài)分析
閘門的干模態(tài)分析即不考慮水體作用,計(jì)算閘門本身的自振頻率和振型。無水時,閘門的一、二階振型如圖2、圖3所示。
圖2 閘門結(jié)構(gòu)第一階振型
圖3 閘門結(jié)構(gòu)第二階振型
無水時,閘門前20階自振頻率范圍為12.62~137.8 Hz,其中,從振型方面看,第2階為門葉頂角扭轉(zhuǎn)變形,第13、19階為閘門門葉拉伸變形,第17、18、20階為門葉彎扭變形,其余為閘門結(jié)構(gòu)的彎曲變形,且多為多次彎曲變形;從振動發(fā)生的部位看,振動主要集中在閘門門葉,少部分為門葉和底軸整體變形。閘門結(jié)構(gòu)的一階振動頻率為12.62 Hz,反映閘門門葉中上部的彎曲變形;閘門結(jié)構(gòu)的二階振動頻率為19.04 Hz,反映閘門門葉兩側(cè)頂角的扭轉(zhuǎn)變形。
2.5 閘門濕模態(tài)分析
分析閘門的濕模態(tài)特性需要建立閘門的流固耦合模型。其中,流體模型采用三維聲學(xué)流體單元Fluid30劃分,流體長度取10倍的閘門門葉高度25.00 m,沿長度方向?qū)⑺w分為4部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分,與閘門門葉接觸部分網(wǎng)格尺寸最小,距離越遠(yuǎn),網(wǎng)格尺寸越大。網(wǎng)格劃分后,流固耦合模型共生成1 207 442個單元和277 954個結(jié)點(diǎn),其中閘門結(jié)構(gòu)生成494 345個單元,流體模型生成713 097個單元。翻板閘門流固耦合有限元模型如圖4所示。流體—結(jié)構(gòu)的耦合場分析采用直接耦合的方法,其余邊界條件不變。
圖4 閘門流固耦合有限元模型
有水時,閘門的前20階自振頻率范圍為5.25~75.85 Hz。從振型方面看,第1階振型反映閘門門葉的扭轉(zhuǎn)變形,第3、8階振型反映閘門的拉伸變形,第6、10、13階振型反映閘門門葉的彎扭變形,其余均反映閘門的彎曲變形;從振動發(fā)生的部位看,大部分發(fā)生在門葉部位,只有第19階為門葉和底軸的整體變形。底軸驅(qū)動翻板閘門有水時的一、二階振型如圖5~圖6所示。
2.6 計(jì)算結(jié)果分析
由流固耦合理論可知,處于流場中的閘門與流體間存在相互作用,這種相互作用會影響閘門的自振頻率和振型,在結(jié)構(gòu)動力平衡方程中表現(xiàn)為附加質(zhì)量矩。通過比較無水、有水時計(jì)算得到的閘門結(jié)構(gòu)自振頻率,可得如下主要結(jié)論:
1)有水與無水情況相比,底軸驅(qū)動翻板閘門的自振頻率大幅度下降,頻率降低百分比范圍在40%~60%之間,其中下降較大的第1、7階振動頻率,下降百分比分別為58.40%和59.28%,降低最小的第17階振動頻率下降率也高達(dá)42.32%。
圖5 閘門結(jié)構(gòu)第一階振型
圖6 閘門結(jié)構(gòu)第二階振型
2)與無水情況相比,有水時閘門的振型和振動部位發(fā)生了明顯變化。無水時閘門的彎曲變形多為門葉和底軸整體變形,有水時閘門彎曲變形多發(fā)生在門葉部位。
通過分析干、濕兩種條件下閘門的動力特性,可以看出,門前水體不僅對底軸驅(qū)動翻板閘門的自振頻率有較大影響,同時對閘門振型和振動發(fā)生部位也產(chǎn)生了顯著影響。因此,在研究底軸驅(qū)動翻板閘門的動力特性時,必須考慮流體的影響,流固耦合效應(yīng)不容忽視。
(責(zé)任編輯 崔春梅)
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1009-6159(2017)-10-0064-02
張維杰(1990—),男,助理工程師