閘門水封計算及試驗研究完成內容資料

1、水勉水利工程閘門水封計算及試殮研老完成內家武漢大學2013年4月1計算及試驗研究方法高壓水頭閘門水封的止水效果與止水元件的斷面形式、材料性質、水封彈性變形量、 殘余變形量、封頭的水密性、線壓與封頭接觸應力的關系、止水裝置結構形式等多種復 雜因素有關。我們的技術思路是：首先對高水頭閘門橡膠水封進行大量的非線性仿真計 算，得出其應力-應變初步成果，然后再在理論計算的基礎上對閘門使用條件下的水封 斷面進行分析論證。水封橡膠類材料有其獨特的力學性能：超彈性，不可壓縮性，大變形等。在受到水 壓力作用下，止水橡皮會產生大變形，使得用傳統(tǒng)實驗方法難以定量地分析出止水橡皮 的應力應變值；運用有限元分析方法對高

2、水頭閘門水封橡皮的止水全過程進行仿真汁 算、分析止水橡皮止水過程橡皮應力分布惜況、橡皮與鋼夾及接觸面之間的接觸應力分 布情況，從而定性地研究止水橡皮的止水性能，從工程應用的角度分析止水橡皮工作機 理過程，為設訃合理的止水橡皮形式提供有益的指導。1.1計算基本理論設(心123)為參考坐標，兒(心123)是變形后的坐標。在變形過程中，物體的任 一點的坐標可以表示為：y = y(x,t)。設變形梯度為 G = ，右 Cauchv-Green 變形張量為C = G G,左 Cauchy-Green dx變形張量為B = GGreen應變矩陣是 = -(C-Z)o2在t時刻時，超彈性材料的應變能函數(shù)肥和

3、Cauchy應力，只是變形梯度的函數(shù)， 即 We=We(G)o當材料是各向同性時，應變能函數(shù)通常寫成右Cauchy-Green變形張量矩陣的函數(shù)表 達式，矩陣的不變量叫做應變不變量，分別為它們能夠在應變能函數(shù)表達式 中變形梯度G的位置，表示由于材料的變形而產生的應變能。則憶又可以寫成,W嚴憶(人,厶,厶)在式中，應變不變量是：人=(C),Z2=|(/r(C)2-(/r(C2),/3 = det(C)(1)多數(shù)橡皮類材料都是屬于各向同性且不可壓縮的非線性彈性材料，在材料不可壓縮條件下，由于Z3=l ,所以應變能實際上只是C的第一和第二不變量的函數(shù)，即 W嚴憶（人,厶）。為了獲得顯式應變能函數(shù)，可

4、取初始構型為參考構形，而在此構型中W, =0,C = Z,于是由式（1）可知I=trI = 3I2=（trI）2-trI）/2 = 3（2）鑒于在參考構形中/,=；2=3,人們就把應變能看作是人-3和厶-3的函數(shù)，提出 了一些顯式模型，這里采用的就是兩參數(shù)Mooney-Rivlin模型，應變能函數(shù)為W=G（I 廠 3）+。2（1廠3） 材料的Cauchy應力可以表示為：S = 2(oWe+人竺）-些旳T1斗6人di.(3)(4)(5)S = -pI + Se式中：p一一靜水壓力；I一一單位矩陣；偏應力。1. 2計算有限元模型高水頭閘門水封設置在閘門周邊，剛性夾板固定止水橡皮。當閘門就位關閉時，

5、水 封自動與磴封水面接觸并被壓縮達到封水的LI的。橡皮采用超彈性單元HYPER56號單元，該類單元采用混合位移一壓力表示形式， 適用于大變形、接近不可壓縮的橡膠類材料。在不可壓縮條件下，該單元允許使用混合 變分原理形成單元剛度矩陣。剛性夾板和接觸面采用彈性單元PLANE42o在止水橡皮與剛性夾板接觸的部位設置接觸對單元Targe 169和Contal71,接觸單 元是覆蓋在分析模型接觸面之上的一層單元。止水橡皮與剛性夾板的接觸問題屬于剛體 柔體的面面接觸問題，為了給止水橡皮接觸問題建模，必須認識到模型中的哪些部 分可能會相互接觸，例如橡皮兩側與夾板、橡皮封頭與接觸面之間可能發(fā)生接觸，有限 元模

6、型通過指定接觸單元來識別可能的接觸匹對。ANSYS支持剛體一柔體的面一面接觸單元，剛性面被當作“LI標”面，用Targe 169 來模擬2-D的“目標”面，柔性體的表面被當作“接觸”面，用Contal71來模擬。一 個H標單元和一個接觸單元叫作一個“接觸對”。程序通過一個共享的實常號來識別“接 觸對X為了建立一個“接觸對”必須給LI標單元和接觸單元指定相同的實常號。仿真計算過程分二個荷載步。笫一步，止水橡皮安裝完成后，施加背部壓力（線壓）, 即封頭擠壓栓封水面；第二步，施加零水荷載；第三步，按水頭計算，施加庫水圧力（封 頭測向壓力，按均布荷載考慮），模擬橡皮止水過程。考慮接觸面和鋼板方向零位移

7、約束。1.3計算研究內容通過非線性有限元仿真計算硏究： 高水頭閘門水封止水元件的斷面形式、材料性質、水封外伸變形量； 水封封頭的水密性（考慮接觸圧力）； 高水頭閘門水封線壓與封頭變形量、封頭接觸應力的關系； 高水頭閘門水封啟閉過程中（高速水流作用下）的應力和變形狀態(tài)； 高水頭閘門水封頭部壓縮量與接觸寬度的關系； 止水裝置（座板和夾板）結構形式。1.4水封接頭扯斷試驗水封接頭的物理力學性質對水封的使用效果影響較大，高壓水封的試驗研究之前必 須準確掌握這些情況。我們研究了四種材料（肢體橡膠、SF6474、SF6674、LD-19）的 橫接頭、45。斜接頭和T型接頭三種接頭型式，其接頭部位具體見圖1

8、。（b 45。斜接頭（a）橫接頭/輅結面-（c）T型接頭面1IIIII圖1拉伸試件接頭型式橡膠接頭拉伸試驗的LI的是：通過試驗測得不同型式橡膠接頭對應的扯斷強度、破壞機理與型式，了解不同型式橡膠接頭扯斷強度的差異，以及對應的破壞過程，以便在 實際工程中釆用最合理的水封接頭。1. 5水封預壓縮圧縮力試驗為測定不同型式水封在不同預壓量下的預壓縮圧縮力，對各種型式的水封分別進行預壓縮壓縮力的模型試驗。試驗中采用了兩種裝置：裝置一中，預壓縮力通過千斤頂加 載實現(xiàn)，山千斤頂逐級加載，荷載通過傳感器讀數(shù)，變形量山分布于止水面板上的四個 位移訃分別讀出并取平均值，試件縱向長度為208mm,止水面板采用不銹鋼

9、板，如圖2(a)所示；裝置二是微機控制電子萬能試驗機,在固定壓縮量的情況下讀取相應的預壓縮圧縮力，如圖2 (b)所示。 I/,圖2 (b)預壓縮實驗裝置二示意圖圖2 (a)預壓縮實驗裝置一示意圖1.6水封切片試驗切片動水試驗是水封整體試驗的前提準備試驗。切片試驗的特點是水封在不同庫壓 與背壓的組合作用下可以更直觀、更準確的研究水封的變形形態(tài)與變形過程。通過切片 動水試驗可以較直觀地研究：圓頭P60水封(SF6474. SF6674.高水頭橡膠水封)在 各種庫水壓力作用下的變形；山形水封在高庫壓(不低于2.2MPa)作用下的變形形 態(tài)；條形底水封在流速20m/s70m/s (6. 35MPa22

10、. 22MPa)的高速水流作用下的 變形形態(tài)。切片動水試驗在專門研制的水封切片試驗槽里進行，為減少試驗槽的變形影響，試 驗槽釆用鋼板板格結構，試驗槽側面設有有機玻璃觀察窗，有機玻璃上刻有坐標網(wǎng)格線 以度量水封在高速流水狀態(tài)下的變形量，試驗槽頂板可上下變高以調整水封縫隙寬度， 見圖3和圖4。水封切片寬度為210mm,試驗用3臺無級連續(xù)調壓離心泵供水，最大水壓230m,最大流量0.21m3/so可以采用兩種方式觀測封水情況：靜態(tài)模擬，止水前端與鋼板的預留間隙值分別為-6、-5、-4、6、8、10、12mm,先加背壓再加庫壓；動態(tài)模擬封水過程，預留止水前端與鋼板的間隙-6、-5、-4、6、8、10、

11、12mm先 加庫壓再加背圧。圖3 切片試驗槽外觀示意圖圖4 切片試驗槽結構組合示意圖1. 7水封整體試驗在理論訃算和切片模型試驗的基礎上確定較優(yōu)水封斷面和止水結構形式（山設汁單 位認可）對山形水封進行整體模型試驗論證研究。1. 7.1試驗裝置上水斷面變形特性均在我校所設計的專用大型試驗臺上進行。試驗臺主要山高壓水 箱、承壓面板（活動臺板）、加圧機、穩(wěn)壓器和各種控制、測量儀器儀表組成。承壓面 板（1600mmX 1600mm）用以模擬閘門面板，它由傳力桿控制調節(jié)，可保持止水與閘門 之間所需的不同間隙：高壓水箱結構形狀為長方形，它的主要作用是模擬庫水壓力，它 山三臺高壓水泵和一些穩(wěn)壓器及相應儀表控

12、制，可以進行230m以內的水壓試驗。這套 裝置的特點是既可以做水封的靜水水密性試驗，也可以做水封的開門動水試驗，試驗荷 載 500to圖5 整體試驗裝置示意圖1. 7. 2試驗方法山不同配方的橡膠材料制成的水封試件，具有典型的粘彈性質，止水橡皮的變形不 僅與所施加的荷重大小有關，還與施加荷重的歷史和速度有關，在彈性固體中應力應變 的所有狀態(tài)都是可逆的，對應一定的應力就有一定的變形，除去應力則變形完全消失， 而對止水橡皮來說，它的應力應變狀態(tài)并非都是可逆的。因此，試驗中規(guī)定止水橡皮內 腔充圧必須是山小到大的變化，而不能任意改變，預留間隙條件下的水密性試驗，其間 隙值也必須按山小到大的順序進行。1

13、.7.3水封外伸變形試驗試驗選用水封中心距為1150mmX 1150mm的框形水封試件（橫斷面模型比尺為1：1）,由水穩(wěn)壓器分級向止水內腔充壓，壓力分別為0.02、0.04、0.06、2.10、2. 20MPa,在試件四個直線段中點和四個角段中點共布置八塊大量程白分表待橡皮變形 穩(wěn)定后量測其變形。止水橡皮在各級穩(wěn)壓條件下，其自由伸長變形的歷史均較長，為合 理確定一個穩(wěn)定標準，進行不同壓力下止水橡皮伸長變形與時間關系試驗。1.7.4封頭壓縮量與接觸寬度試驗止水前端與鋼板的預留間隙值分別為-6、-5、-4、6、8、10、12mm。向止水 內腔分別充壓0.02、0.04、0.06、2.10、2. 2

14、0MPa,待壓力穩(wěn)定后測量水封頭壓 縮量及其與鋼板的接觸寬度。1. 7. 5水封水密性試驗靜水試驗:選用框形止水試件，止水前端與鋼板的預留間隙值分別為-6、-5、- 4、6、8、10、12mm。由水穩(wěn)壓器向止水內腔充壓,壓力分別為0.02、0.04、0.06、2.10、2. 20MPa,待壓力穩(wěn)定后向模擬的庫水壓力高壓水箱充壓，觀察止水漏水或射水 發(fā)現(xiàn)情況。動水試驗：承壓面板預留止水間隙2mm,先向水池大量供水開泵提壓，間隙產生 射流情況下，然后再加背壓，觀察止水元件的止水效果。這更符合閘門的實際運行情況, 也是我們設訃高壓水泵的顯著優(yōu)點。2計算及試驗研究內容2. 1水封變形特性計算通過計算驗

15、證不同材質水封在各種庫水壓力作用下及啟閉過程中的應力和變形。水 封材質及庫圧分別為:表1水封材質及庫壓水封型號材質庫壓(MPa)圓頭P45SF6474、 SF66740. 01、0. 02、0. 03 0. 04、0. 05、0. 06、0. 07、0. 08、0. 09、0. 1、0. 15、0.2、0. 3、0.4、0.5、0.6、0. 70. 8、0. 9、1. 0圓頭P60SF6474、 SF6674、 高水頭橡膠水封0. 01、0. 02、0. 03、0. 04、0. 05、0. 06、0. 07 0. 08、0.09、0. 1、0. 15、0.2、0. 3、0.4、0.5、0.6、

16、0. 70. 8、0. 9、1. 0、1 2、1. 3、1.4、1. 5 1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.2、2.4、2.6、2.8、3. 0山形（充壓、 不充壓）SF6674.高水頭 橡膠水封0. 01、0. 02、0. 03 0. 04、0. 05、0. 06、0. 07、0. 08、0.09、0. K 0. 15% 0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0. 70. 8 0. 9、1.0、1. 2 1. 3、1.4、1.5、1. 6 1 7、1.8、1.9、2.0、2.2、2.4、2.6、2.8、3. 0方頭P60SF6674、高水頭 橡膠水封0. 01、0. 02、0.

17、03、0. 04、0. 05、0. 06、0. 07、0. 08、0. 09、0. 1、0. 15、0.2、0. 3、0.4、0.5、0.6、0. 70. 8、0. 9、1. 0、1. 2 1. 3、1 4、1. 5、1.6、17、1.8、1.9、2.0、2.2、2.4、2.6、2.8、3. 0L形SF6474、 SF66740. 01、0. 02、0. 03、0. 04、0. 05、0. 06、0. 07. 0. 08、0.09、0. 1、0. 13、0. 2、0. 25 0.3、0. 4條形底水封SF6474、 SF6674、 高水頭橡膠水封0. 01、0. 02、0. 03 0. 04、

18、0. 05、0. 06、0. 07、0. 08、0.09、0. 1、0. 15、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0. 70.8、0.9、1.0、1.2 1.3、1.4、1.5、1.6、1.71.8、1.9、2.0、2.2、2.4、2.6、2.8、3. 0雙P形水封 （墊寬：80、 105、 130mm）SF6474. SF66740. 01、0. 02、0. 03、0. 04 0. 05、0. 06、0. 07、0. 08、0. 09、0. 1、0. 15、0. 22.2水封水密性特性訃算驗證各水封在各種庫水壓力作用下能否可靠止水，計算當水封頭部與止水座面預壓不同時、各種庫水圧力水封與

19、止水面之間的接觸寬度和接觸應力。表2 水封預壓縮量水封型號預壓縮量/水封間隙量（mm）庫壓(MPa)圓頭P45-12、 -10、 -8、 -6、 -4、 -2、0 1、 2、 3、 4、 50. 01 0. 02、0. 03、0. 04、0. 05、0. 06、0. 07、0. 08、0. 09 0. 1、0. 15 0.2、0.3、0.4、0. 5 0. 6、0. 7、0 8、0.9、1. 0圓頭P60一12、 一10、 一8、 -6、 一4、 一2、0 1、 2、 3、 4、 5、 60. 01 0. 02、0. 03、0. 04、0. 05、0. 06、0. 07、0. 08、0. 09

20、 0. 1、0. 15 0.2、0.3、0.4、0. 5、0. 6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.2、1.3、1.4、1.5、1. 6、1.7、1.8、1.9、20、2.2、2. 4、2. 6、2. 8、3. 0山形（充壓、 不充壓）一12、 一10、 一8、 -6、 一4、 一2、0、 1、 2、 3、 4、 5、 60. 01、0. 02、0. 03、0. 04、0. 05、0. 06、0. 07、0.08、0.09、0. 1、0. 15 0.2、0.3、0.4、0. 5 0.6、0. 7、0.8、0.9、1.0、1.2、1.3、1.4、1.5、1. 6、1.7、1.8、1.9、20

21、、2. 22. 4、2. 6、2. 8、3. 0方頭P600、 1、 2、 3、 4、 5、 60. 01、0. 02、0. 03、0. 04、0. 05、0. 06、0. 07、0. 08、0.09、0. 1、0. 15 0.2、0.3、0.4、0. 5 0.6、0. 7 0.8、0.9、1.0、1.2、1.3、1.4、1.5、1. 6、1.7、1.8. 1.9、20、2.2、2. 4、2 6、2. 8、3. 0L形10 、 15 、 20 、 250. 01、0. 02、0. 03、0. 04、0. 05、0. 06、0. 07、0. 08、0. 09% 0. 1、0. 15 0.2、0.25、0.3、0.4條形底水封2、 4、 6、 8. 10、 12、 14、16、 18、 200. 01、0. 02、0. 03、0. 04、0. 05、0. 06、0. 07、0. 08、0. 09a 0. 1、0. 15 0.2、0.3、0.4、0. 5 0. 6、0.7、0.8、0. 9 1.0、1.2、1.3、1.4、1.5、1. 6、1. 7 1.8、1.9、2.0、2.2、2. 4、2 6、2. 8