范科飛 安平
摘要:液壓平板閘門(mén)目前已廣泛應(yīng)用于河流、礦山等領(lǐng)域,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、密封性好、操作靈活、便于控制等優(yōu)點(diǎn)。為控制城市地下污水管道分流、引導(dǎo),設(shè)計(jì)了液控平板閘門(mén),并通過(guò)軟件對(duì)其進(jìn)行三維建模和有限元仿真。通過(guò)對(duì)平板閘門(mén)不同開(kāi)口度的靜力學(xué)仿真和模態(tài)分析,得到閘門(mén)工作時(shí)的應(yīng)力、變形、各階固有頻率和振型,可根據(jù)平板閘門(mén)的固有頻率合理設(shè)計(jì)污水管道水工設(shè)備并決定其應(yīng)用場(chǎng)合。靜應(yīng)力分析和模態(tài)分析為管道用平板閘門(mén)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用工況分析提供了理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞:平板閘門(mén);靜力學(xué)仿真;模態(tài)分析
中圖分類(lèi)號(hào):TV663+.1? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A? ? 文章編號(hào):1671-0797(2022)04-0040-04
DOI:10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.04.012
0? ? 引言
近年來(lái),我國(guó)城市化進(jìn)程發(fā)展迅猛,用于防洪排澇和收集城市用水的給排水系統(tǒng)是城市發(fā)展不可缺失的一部分[1]。城市地下管網(wǎng)的建設(shè)和管理之間存在時(shí)間差、不同步現(xiàn)象是大部分城市在發(fā)展過(guò)程中存在的難題,主要表現(xiàn)為管網(wǎng)設(shè)計(jì)落后、不夠超前,已建污水管網(wǎng)基礎(chǔ)資料缺失,日常管理存在多頭現(xiàn)象、銜接不暢不到位等[2]。南京市雙壟河為南北向河道,目前雙壟河與二陽(yáng)溝連通工程正由橋工段企業(yè)實(shí)施,為合理分配雙壟河蓄排雨水功能,充分發(fā)揮水利調(diào)度優(yōu)勢(shì),亟需設(shè)計(jì)一款自動(dòng)化程度高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的閘門(mén)。
平板閘門(mén)因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝容易、維修方便、綜合造價(jià)低、運(yùn)行安全可靠等優(yōu)點(diǎn)[3],近年來(lái)廣泛應(yīng)用于各種水利樞紐或水電站中。作為水利工程中的擋水裝置,水利管網(wǎng)的運(yùn)行與閘門(mén)結(jié)構(gòu)的可靠性密切相關(guān)。運(yùn)用軟件分析,依據(jù)相應(yīng)規(guī)范驗(yàn)證鋼閘門(mén)設(shè)計(jì)的可行性,對(duì)引水工程閘門(mén)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)模擬計(jì)算和頻率分析,得出適合引水工程的閘門(mén)結(jié)構(gòu)型式,對(duì)工程應(yīng)用具有重要意義[4-5]。
1? ? 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
閘門(mén)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)主要在于如何選擇更優(yōu)的閘門(mén)構(gòu)造型式,以更好地滿足工程布置及功能要求。基于安裝環(huán)境需求,本設(shè)計(jì)選擇平板式閘門(mén)為基本構(gòu)型,輔以液壓缸、加強(qiáng)筋等構(gòu)件,完善平板閘門(mén)整體結(jié)構(gòu)。
本設(shè)計(jì)平板閘門(mén)如圖1所示,包括滑道、液壓缸、桁架、液壓桿、擋水板、加強(qiáng)筋及密封件等。平板閘門(mén)安裝面與水工建筑螺栓連接固定,擋水板與液壓桿鉸接固定,通過(guò)外接油路控制液壓桿的伸出、縮回實(shí)現(xiàn)活動(dòng)閘門(mén)的位移、開(kāi)啟、關(guān)閉,或?qū)⒒顒?dòng)閘門(mén)鎖定在油缸行程內(nèi)的某一位置,控制泄水量。
如圖2所示,滑槽直升式擋水板,面板厚度10 mm,背部焊接田字型加強(qiáng)筋,增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。閘門(mén)整體尺寸為1 200 mm×2 000 mm×183 mm,最大開(kāi)口直徑800 mm。
2? ? 力學(xué)分析
平板閘門(mén)正常運(yùn)行時(shí),閘門(mén)材料均處于線彈性階段,其各構(gòu)件產(chǎn)生形變均較小,因此計(jì)算時(shí)為線彈性薄板問(wèn)題。閘門(mén)薄板廣義上的應(yīng)變矩陣為:
應(yīng)力矩陣為:
由于薄板為各方向同性質(zhì)的均勻材質(zhì),考慮水工鋼閘門(mén)材料的實(shí)際情況,視各板結(jié)構(gòu)均為彈性變形:
式(3)中的矩陣D為水工鋼閘門(mén)材料的彈性矩陣,由各構(gòu)件材料的彈性模量E與泊松比ν共同決定,屬于材料的固有屬性。矩陣D的計(jì)算公式可以表示為:
在平板閘門(mén)的應(yīng)用中,設(shè)計(jì)承載水壓為10 kPa,為更好地計(jì)算閘門(mén)受力狀態(tài),有必要進(jìn)行有限元分析。將建立的平板閘門(mén)三維模型導(dǎo)入ANSYS中,并施加約束和負(fù)載,觀察不同開(kāi)口度平板閘門(mén)的受力狀態(tài)。
圖3為閘門(mén)全閉工況下受力變形云圖,從圖中可以看出閘門(mén)的主要變形分布在擋水板中部,最大變形量不超過(guò)0.5 mm。加強(qiáng)筋處于變形集中部位,能夠起到增加擋水板強(qiáng)度的作用。
圖4和圖5為閘門(mén)半開(kāi)狀態(tài)下的變形和應(yīng)力分布云圖,由圖可知,平板閘門(mén)在運(yùn)行過(guò)程中變形和應(yīng)力均較小,閘門(mén)可靠性高,使用穩(wěn)定。變形與應(yīng)力較大位置有加強(qiáng)筋支撐,保證了擋水板的可靠運(yùn)行。
3? ? 模態(tài)分析
為避免平板閘門(mén)在使用過(guò)程中與其他水工設(shè)備產(chǎn)生共振而造成嚴(yán)重?fù)p壞,有必要對(duì)閘門(mén)進(jìn)行模態(tài)分析,確定結(jié)構(gòu)的模態(tài)與主振型。對(duì)于平板閘門(mén),因其質(zhì)量和剛度都具有分布特性,理論上將其看成有限多自由度問(wèn)題。多自由度無(wú)阻尼自由振動(dòng)微分方程的一般形式為:
系統(tǒng)自由振動(dòng)中,假設(shè)所有質(zhì)量均做簡(jiǎn)諧振動(dòng),方程的解為:
式中:Xi為第i階振型中位移的陣列;A(i)為第i階振型中各點(diǎn)的振幅向量;ωni、φi分別為第i階的固有頻率和相角。
對(duì)于振動(dòng)系統(tǒng),振幅不全為零,故有特征方程:
求解特征方程后可以得到固有頻率,即式(8)的特征值。在求得系統(tǒng)各階固有頻率后,將其中某一階固有頻率ωni代回到主振型方程式(7)中,并展開(kāi)得:
對(duì)式(9)進(jìn)行求解,求得的值都與An(i)成正比,這樣就得到了第i階固有頻率ωni的n個(gè)振幅之間的比例關(guān)系,也就是系統(tǒng)按第i階固有頻率振動(dòng)時(shí)各坐標(biāo)的振幅比。所以,這n個(gè)具有確定相對(duì)比值的振幅組成的列陣稱為系統(tǒng)的第i階主振型,即:
將三維模型導(dǎo)入ANSYS中,并完成材料屬性設(shè)置,對(duì)閘門(mén)結(jié)構(gòu)采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分,隨后進(jìn)行模態(tài)分析。
全閉閘門(mén)模態(tài)云圖如圖6所示。
從圖7中的數(shù)據(jù)可知,在平板閘門(mén)全閉狀態(tài)下的各階模態(tài)中,閘門(mén)結(jié)構(gòu)都發(fā)生了嚴(yán)重變形,特別是在第9階121.55 Hz和第10階121.79 Hz,主振型超過(guò)1 m。
平板閘門(mén)運(yùn)行過(guò)程中半開(kāi)狀態(tài)經(jīng)常出現(xiàn),故有必要對(duì)半開(kāi)狀態(tài)閘門(mén)進(jìn)行分析,圖8為半開(kāi)閘門(mén)模態(tài)云圖。
圖9為半開(kāi)閘門(mén)前10階固有頻率和主振型,從圖中可以看出,在第1階70.3 Hz、第6階113.35 Hz、第8階132.01 Hz及第10階193.62 Hz主振型較大,均超過(guò)0.4 m。在閘門(mén)半開(kāi)狀態(tài)下應(yīng)避免此頻率產(chǎn)生共振現(xiàn)象。
圖10為閘門(mén)全開(kāi)狀態(tài)下的固有頻率和主振型,其中第1階70.37 Hz、第4階112.71 Hz、第6階132.01 Hz和第8階194.16 Hz主振型較大,均超過(guò)0.4 m。在閘門(mén)全開(kāi)狀態(tài)下應(yīng)避免此頻率產(chǎn)生共振現(xiàn)象。
4? ? 結(jié)論
本文基于SolidWorks和ANSYS軟件對(duì)平板閘門(mén)進(jìn)行三維建模及靜力學(xué)和模態(tài)分析,通過(guò)時(shí)域和頻域兩個(gè)角度驗(yàn)證平板閘門(mén)的可靠性,由仿真得出如下結(jié)論:
(1)根據(jù)平板閘門(mén)靜力學(xué)仿真分析結(jié)果,閘門(mén)全閉狀態(tài)下最大變形發(fā)生在擋水板中心位置,半開(kāi)閘門(mén)最大變形在擋水板底部,應(yīng)在附近分布加強(qiáng)筋,以增加擋水板強(qiáng)度。
(2)通過(guò)對(duì)平板閘門(mén)不同開(kāi)口度的模態(tài)分析,得出不同開(kāi)口度下固有頻率的分布和主振型的大小,為平板閘門(mén)的應(yīng)用提供了參考,可避免在使用中發(fā)生共振現(xiàn)象。
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收稿日期:2021-11-24
作者簡(jiǎn)介:范科飛(1971—),男,江蘇句容人,機(jī)械工程高級(jí)工程師、建設(shè)工程教授級(jí)高級(jí)工程師,長(zhǎng)期從事機(jī)械設(shè)備及工程管理相關(guān)工作。
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