大型上翻式拱形鋼閘門流固耦合靜動力特性分析研究

1、大型上翻式拱形鋼閘門流固耦合靜動力特性分析研究論文導(dǎo)讀:：本文通過三維空間有限元數(shù)值計算模型研究大型上翻式拱形鋼閘門的流固耦合動力特性，取得閘門結(jié)構(gòu)流固耦合條件下的振動模態(tài)參數(shù)，為閘門結(jié)構(gòu)共振分析和采取合理的控振措施提供了科學(xué)依據(jù)。此外對控制結(jié)構(gòu)強度和剛度的門頂溢流工況進行了閘門位移和應(yīng)力分布分析，指出了存在問題和修改方向。本文成果可供類似工程設(shè)計時參考。論文關(guān)鍵詞：上翻式拱形鋼閘門，流固耦合，動力特性，門頂溢流，靜力特性，數(shù)值分析1前 言上翻式拱形鋼閘門是一種有別于一般水電工程常用的直升式或有支臂的拱形閘門的特種門型。國際上最早出現(xiàn)在荷蘭，作為擋潮結(jié)構(gòu)，其功能單一，僅作單向擋潮與開啟或關(guān)閉操

2、作，無局部開啟等要求。本文結(jié)合我國現(xiàn)代沿海城市水環(huán)境整治和建設(shè)，采用跨度3340m的大跨度輕型上翻式拱形鋼閘門作為擋潮、蓄水及局部開啟泄洪等多功能使用。該閘門具有雙向擋水、局部開啟及門頂溢流等功能，目前在國際上水力結(jié)構(gòu)綜合指標屬于第一。一般水工結(jié)構(gòu)設(shè)計均能滿足靜力平安要求，但在特殊流態(tài)和水動力作用下常常發(fā)生強烈振動，甚至動力失穩(wěn)而破壞。說明一般的結(jié)構(gòu)設(shè)計尚不能解決結(jié)構(gòu)的動力平安問題，目前該類結(jié)構(gòu)的振動特性尚無現(xiàn)成經(jīng)驗可資借鑒，需要針對其工程個性;和特點進行深入研究，為工程動力平安設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。該水閘工程布置見圖1.11.3所示。水閘孔口采用開敞式，泄水孔采用單孔，孔凈寬40m，閘室長度25

3、.0m。水閘總長128m，包括閘室段長25m、外江防沖槽長8m、海漫長22m、鋪蓋長20m、內(nèi)河道鋪蓋長20m、海漫長15m、防沖槽長8m等。水閘為開敞式單孔泄閘，閘孔尺寸為40mx5.19m其中第二式代表動水壓力對流體作用面作的功。將T、U 代入下式第二類Lagrange 方程可得式假設(shè)引入為水流擾動速度勢，由流體的連續(xù)性方程，亦滿足拉普拉斯方程而P及之間的關(guān)系為還必須考慮流體作用面與水接觸面等邊界條件，如流體作用面外表法向速度必須與水質(zhì)點的法向速度相等遠處，水流的擾動速度和擾動壓強均應(yīng)趨近于零。式式再引入與之間的轉(zhuǎn)換陣，那么將式其中就是通常所稱的附加質(zhì)量陣。式此處是非對稱矩陣，因此不能將其

4、轉(zhuǎn)化為標準特征值問題。用于求解非對稱特征值問題的方法是Lanczos法。2.2閘門結(jié)構(gòu)的有限元模型上翻式拱形閘門工作狀態(tài)下孔口寬度40.0 m，門高5.19m。采用SHELL63殼單元和BEAM188梁單元對結(jié)構(gòu)聯(lián)合建模。分析軟件為ANSYS10.0。有限元模型共包括3432個面，35839個節(jié)點，37477個shell板殼單元，532個beam4梁單元，共有215034個自由度。考慮啟閉機油缸后，總重量為167.29噸。計算模型邊界條件為，在位于啟閉油缸固定端、油缸和吊耳梁連接部位以及支鉸部位均釋放其饒X軸轉(zhuǎn)動自由度。圖2.1分別繪出了上翻式拱形閘門結(jié)構(gòu)與流固耦合有限元模型。 a) 考慮啟閉

5、桿約束的計算模型b)考慮流固耦合的計算模型a) computation module with start and stopb)Computation Module withfluid-structureleverconstraintsconsideredInteraction considered圖2.1拱形閘門有限元模型圖Figure 2.1Finite Element model of arch gate3計算結(jié)果閘門結(jié)構(gòu)有限元計算分別考慮流固耦合動力特性及高水位門頂溢流位移和變形計算二種工況進行。3.1考慮閘門支鉸和啟閉桿同時約束作用的閘門流固耦合振動模態(tài)表3.1流固耦合狀態(tài)下閘門固有

6、頻率及振型形態(tài)Tab 3.1 Natural frequency and vibrationmode patterns of gate under fluid-structure interaction 階 次 頻率 振型形式 1 2.12 閘門面板整體切向變形振動 2 2.75 閘門面板中部徑向彎曲變形 3 3.97 閘門二側(cè)面板徑向彎曲變形 4 4.29 閘門面板中上部徑向彎曲變形 5 4.30 閘門面板中部徑向彎曲變形 6 6.72 閘門二側(cè)面板上部徑向彎曲變形 7 6.76 閘門二側(cè)面板上部高階徑向彎曲變形 8 7.99 閘門二側(cè)面板上部高階徑向彎曲變形 9 8.81 閘門二側(cè)面板上部

7、高階徑向彎曲變形 10 8.87 閘門面板上部局部徑向彎曲變形 a)第1階振型 b)第2階振型 c)第3階振型a)The 1stmode b) The 2ndmode c) The 3rdmode d)第4階振型 e)第5階振型f)第6階振型d) The 4th mode e) The 5th mode f) The 6thmode圖3.1 閘門結(jié)構(gòu)低階模態(tài)振型圖Figure 3.1 Low modals vibration modes of gatestructure3.2門頂溢流閘門結(jié)構(gòu)變形和受力特征門頂溢流是本工程閘門的一種非正常運行工況。為確保其平安，需要研究考查閘門結(jié)構(gòu)的平安性。水閘

8、門頂?shù)囊缌鞴r按內(nèi)涌向外江溢流和外江向內(nèi)涌溢流二種工況考慮。1內(nèi)涌向外江溢流工況該工況的內(nèi)涌水位和外江水位分別為2.39m和-2.2m。作用于閘門的總支反力為FY=0.55023E+07N。此時閘門結(jié)構(gòu)的最大變形值為12.28mm，位于閘門下端中部。其變形云圖如圖3.2所示。閘門結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值為173.424MPa，位于兩端外江一側(cè)面板與橫隔板交界之處如圖3.3，左右根本對稱。內(nèi)涌方向閘門面板最大應(yīng)力值為104.811MPa，位于面板與吊耳梁連接部位。 圖3.2 閘門變形云圖圖3.3 閘門應(yīng)力分布云圖Figure 3.2 Nephogramof gate deformation Figure

9、3.3 Nephogram of gate stressdistribution2外江向內(nèi)涌溢流工況圖3.4 閘門變形云圖圖3.5 閘門應(yīng)力分布云圖Figure 3.4Nephogram of gate deformation Figure 3.5 Nephogram of gate stressdistribution4 成果分析閘門結(jié)構(gòu)的靜力分析計算分別獲得了內(nèi)涌向外江溢流和外江向內(nèi)涌溢流二種工況下的結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力分布情況。當內(nèi)涌向外江溢流時，此時上翻式閘門為正拱擋水，閘門結(jié)構(gòu)的最大變形值為12.28mm，位于閘門下端中部，其變形剛度控制在標準規(guī)定范圍內(nèi)。結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為173.424MPa

10、，位于兩端外江一側(cè)面板與橫隔板交接之處，對該區(qū)域適當增強后應(yīng)力將會明顯減小；內(nèi)涌方向閘門面板較大應(yīng)力為104.811MPa，量值較小。當外江高潮位，超過閘門門頂高程時建筑工程論文，外江就會向內(nèi)涌溢流，此時閘門為反拱受力。由于上下游水位差較小，最大變形值為6.0mm，位于閘門下端中部。閘體最大應(yīng)力值為99.362MPa，位于兩端外江一側(cè)面板與橫隔板交界之處?？傮w上看，該工況閘門的強度與剛度均能滿足平安要求。5 結(jié) 語本文采用三維空間有限元法，對上翻式鋼閘門的流固耦合振動特性和門頂溢流工況下的位移與應(yīng)力分布狀況分別進行了研究，取得如下成果和結(jié)論：1閘門結(jié)構(gòu)在流固耦合條件下的振動固有頻率較低，前十階

11、頻率主要集中在10Hz以內(nèi)的低頻區(qū)，分布比擬密集。2對結(jié)構(gòu)振動危害較大的振型主要是一階基頻，可能激發(fā)該階模態(tài)的水動力荷載是閘門底緣的水流脈動壓力。因此，對該型閘門的抗振優(yōu)化應(yīng)重點進行底緣體型的優(yōu)化，使閘門結(jié)構(gòu)在引排水條件下，均不出現(xiàn)有害的大尺度脈動漩渦，消除造成閘門切向振動的隱患。對于閘門底緣體型和荷載控制問題需另行研究。3門頂溢流作為非正常工況，在工程遭遇特殊洪水和潮位時可以應(yīng)急啟用，但當內(nèi)涌向外江溢流時局部區(qū)域應(yīng)力較大，需作適當加強處理，控制閘門較大應(yīng)力區(qū)。4該型閘門在處理好低頻強烈振動問題后，可在類似水環(huán)境整治工程中推廣應(yīng)用。參考文獻References1Yan Genhua,Numer

12、ical Computation of Resonance Vibration of Hydraulic Arch Gate with ThreeDimensional Hydro-elastic Interactions. Hydro-Science and Engineering. Jan,19932、嚴根華，水工泄水結(jié)構(gòu)動態(tài)優(yōu)化方法及其在弧形閘門中的應(yīng)用，?水利水運科學(xué)研究?1993年第2期2Yan Genhua,Dynamic Optimization Method of Hydraulic Discharge Structure and ItsApplication in Arch Gate. Hydro-Science and Engineering, Volume 2, 1993.3、嚴根華,閻詩武,樊寶康.水工泄水結(jié)構(gòu)振動的模態(tài)分析與有限元綜合法，振動測試與診斷,1994,14(1)：1-7.3Yan Genhua,Yan Shiwu, Fan Baokang, Vibration Modes analysis and Finite ElementComprehensive Method of Hydraulic Discharge Structure, Journal ofVibration,Measurement