ANSYS在露顶式平面钢闸门三维有限元分析中的应用

ANSYS在露顶式平面钢闸门三维有限元

分析中的应用

刘婷1，王潘绣1，张涛1,2

1河海大学土木学院，南京（210098） 2 南京电力设计研究院，南京（210013）

E-mail: shekarry0216@sina.com

摘 要：利用ANSYS软件对某水闸平面钢闸门作了三维有限元变形、应力计算，得到了该闸门在静水压力下的变形及应力分布规律，对其刚度、强度进行了校核，得出了一些有益结论，并用于指导设计。

关键词：露顶式，平面闸门，建模，有限元

1．引言

目前平面钢闸门的计算，主要是按平面体系考虑进行计算，而在实际工作中，它是一个完整的空间结构体系，作用外力和荷载将由全部组成构件共同传递分担。因此，在按平面体系计算各个构件内力时，不管作了多么精细的假定，总是不能完善的体现出它们真实的工作情况。随着钢结构以及结构应力计算分析的理论日趋成熟，在水工钢闸门设计中已经引入空间有限元分析方法来结构应力的核算作用。

[1]

2．闸门有限元建模

2.1 计算软件

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，可广泛地应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。ANSYS软件是第一个通过ISO9001质量认证的大型分析设计类软件，是美国机械工程师协会（ASME）、美国核（NQA）及近二十种专业技术协会认证的标准分析软件，功能强大、通用性好、具有良好开放性，对大型结构件在分析计算时比较方便且精度较高

[2][3]

。该软件采用APDL参数化设计语言,能和AutoCAD, UG, SolidWorks, I-DEAS, PRO/E

等多种CAD软件接口，因此钢闸门空间有限元分析选用ANSYS软件进行建模、计算与后处理。

2.2 设计资料

某露顶式平面钢闸门梁系结构采用同层布置，梁高采用复式布置和齐平连接，水平次梁穿过横隔板上的预留空并被横隔板所支撑。水平次梁为连续梁，其间距上疏下密，梁格布置的具体尺寸如图1所示，闸门的荷载跨度为10.0m。

根据实际布置及止水需要，闸门面板侧为下游，梁系结构侧为上游，闸门底高程为3.0米，正常水位上游9.0米，下游无水。从图 1看出，从平面体系进行结构设计与刚度、强度校核，上游水压力分配是设计一个难点，不确定因素较多，故采用三维有限元进行校核。

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图 1 梁格布置尺寸图

2.3 计算模型

坐标系:闸门跨度方向为X向，闸门高度方向为Y向，下游到上游方向为Z向。

约束条件:计算模型底部采用竖直向连杆约束，胶木滑道支撑处采用上下游方向连杆约束。

网格剖分:根据该防洪闸门的结构特点，在建立模型时，将单元类型分为三种：面板采用SHELL63单元（板单元），主梁、横次梁、边梁采用BEAM188单元（梁单元），经过ANSYS的有限元网格划分，得到4609个结点、4749个单元，其中SHELL63单元3848个，BEAM188单元901个，其有限元网格模型如

图 2所示。

图 2 闸门整体网格图

ZYX2.4 计算基本资料

1）计算参数

钢结构：Q235-A•F，弹性模量取210GPa，泊松比0.27，密度7810Kg/m3； 焊条：E43型；

行走支撑：胶木滑道，压合胶木为MCS-2； 混凝土强度等级：C20。

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2）计算荷载

主要为：自重、上下游面板水荷载。 3）参考规范

《水利水电工程钢闸门设计规范SL 74-95》。

3．计算结果分析

由于设计及施工单位比较关心梁的挠度与应力情况，结果分析主要给出主梁和次梁的计算结果。

3.1 主梁位移

两个主梁的挠度如图3所示，图中位移单位为m。

图 3 主梁挠度图

由图可知，主梁最大挠度出现在跨中，值为13.4mm，小于规范允许的最大位移值[f]=l0/600=16.7mm,满足要求。主梁另外两个方向位移基本为0，可以忽略不计。

3.2 主梁应力

主梁的X方向正应力如图4所示，图中应力单位为Pa，以拉应力为正，压应力为负，方向与坐标系相同。

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图 4 主梁正应力图

由图可知，两主梁的最大正应力为144.0MPa，出现在各梁下翼缘的中间处，等于规范规定的最大容许应力为0.9×160=144MPa，满足要求。

3.3 次梁位移

次梁的挠度如图3所示，图中位移单位为m。

图 5 横次梁位移图

由图可知，次梁最大挠度出现在跨中，值为14.7mm，小于规范允许的最大位移值[f]=l0/250=40.0mm，满足要求。

4．结论

1）利用大型有限元分析软件ANSYS对某露顶式平面钢闸门进行了三维有限元计算，得出了该闸门在静水压力荷载下的变形及应力分布情况。

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2）通过对该闸门的三维有限元变形、应力分析可以看出，三维空间有限元可对结构、荷载与边界条件作出较符合实际的详细的模拟。

3）对于结构比较简单的平面钢闸门，比如双主梁钢闸门，如果荷载不大且梁系结构布置比较合理，常规的平面体系进行结构计算足够满足工程建设要求。但如果闸门门叶结构比较复杂且水压力比较大，位置比较重要，比如重要城市防洪闸，采用本文阐述的方法，即采用通用软件ANSYS的梁、壳单元进行刚度、强度复核，建模简单、分析快捷，计算成果对设计和施工有较大的指导意义。

参考文献

[1] 水电站机电设计手册编写组.水电站机电设计手册:金属结构(一)[M].北京:水利电力出版社,1988. [2] 水电站机电设计手册编写组.水电站机电设计手册:金属结构(一)[M].北京:水利电力出版社,1988. [3] 谭建国.使用ANSYS6.0进行有限元分析[M].北京:北京大学出版社,2002.5.

Application of ANSYS to Analysis of Open Fiat Plane Steel

Gate by 3-D FEM

Liu Ting 1, Wang Panxiu1, Zhang Tao1,2

1 Hohai university College of Civil Engineering, Nanjing (210098) 2 Nanjing Electric Power Design Institute , Nanjing (210013)

Abstract

Based on 3-D finite element technique, deformation and stress calculations on the radial steel gate of some hydroelectric station are conducted using the software AIVSYS. The deformation and stress distribution regularity of this radial gate under hydrostatic pressure is obtained. And the stiffness and strength are checked. This text gains some valuable results and conducts the designing by simulating one sluice plane steel gate based on ANSYS.

Keywords: Open Fiat, Plane steel gate, Modeling, FEM

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