关键词： ANSYS 安全评估 应力集中 弧形闸门 有限元 爆炸力学
1、绪论
弧形钢闸门是水电站发电系统中主要的金属构件之一，由于弧形钢闸门为空间三维构造，其构造特性、边界条件较为繁芜，传统的设计与校核仍旧按照钢闸门设计规范采取平面受力打算的方法，难以顾及到构造空间浸染，因而无法完备反响闸门的真实受力状态。随着打算机技能的发展，有限单元数值仿照法逐渐由2D平面运用过渡到3D空间运用，其打算结果准确且完备适应于各种大型繁芜构造，出身了诸如ANSYS等一系列精良的商用有限元软件[1,2,3,4]。
ANSYS是领悟构造剖析即是一体的大型CAE软件包，专门用来办理各种工程问题。经由多年景长，ANSYS由经典界面逐渐发展为ANSYSWorkbench整合多种物理场独立剖析及场间耦合剖析的大型CAE软件系统[5]。本文基于ANSYSWorkbench，以某抽水蓄能电站泄水孔弧形钢闸门为研究工具，用SolidWorks建立弧形钢闸门的三维模型，导入ANSYSWorkbench中用实体单元划分网格，建立包含边界条件的弧形钢闸门三维有限元模型，在静态挡水和启门瞬间两种工况分别进行求解，在后处理中提取打算结果，不雅观察支铰约束反力与面板设计水压力对应情形，查看并剖析主构造承力构件的VonMises应力值、位移值的大小与分布情形，根据NB35055—2015《水电工程钢闸门设计规范》评估弧形钢闸门在两种工况下的构造安全性，比拟剖析并研究了门叶和支臂在两种工况下综合VonMises应力和位移值的变革特点，剖析了面板底缘处局部应力集中的缘故原由，采取构造补强的方法对面板底缘受力构造进行优化并再次剖析，其局部应力集中完备肃清。
2、有限元模型的建立
2.1工程背景
某抽水蓄能电站下库导流泄放洞弧形钢闸门，设计水头为64.0m。闸门弧面半径6.0m，吊耳轴至底坎高度3.8m，属于高水头潜孔弧形闸门。其构造紧张特点是门体尺寸中等，单组高下支臂，支臂构件截面为工字形，高下支臂间通过多根工字型加固撑进行加强。闸门事情办法为动水启闭。弧形钢闸门的构造形式如图1所示。
2.2有限元模型的建立
有限元法的实质是建立被研究目标受力特色的有限单元模型，以边界条件为初始值求解有限元偏微分矩阵方程组。目前弧形钢闸门有限元剖析打算常日采取四种打算模型:板梁构造、局部壳构造、完全壳构造以及实体构造[8]。梁单元壳单元打算办法打算效率较高，资源占用率低，缺陷是壳单元建模的步骤较繁琐，效率很低，只适用于构造形式大略的弧形钢闸门。因此本文采取实体单元构建弧形钢闸门有限元模型进行校核，并在几何建模过程中对部分特色(止水橡皮、螺栓孔等)进行简化。因SolidWorks采取了尺寸驱动的建模办法，建模速率较快，经作者统计其模型完成韶光为6h旁边，直接保存为STEP格式导入ANSYSWorkbench。若采取壳单元则须要在ANSYSWorkbench内置的建模工具DesignModel中完成面模型并作面分割处理，预估建模韶光为14h旁边，可见采取实体建模办法效率相对较高。在ANSYSWorkbench中对导入的弧形钢闸门STEP模型采取“印记面”方法进行处理，从而使相邻构件间实现打仗面共享，担保模型组件间网格的连续性。
图1弧形闸门构造示意图
选择得当的单元和网格划分形式是建立弧形钢闸门离散化空间构造有限元模型的主要过程。为反响弧形钢闸门实体构造的特性，面板、主梁、横梁、吊耳板以及高下支臂腹板翼板等规则构造板件利用八节点六面体实体单元Solid185，支铰等不规则构件利用Solid185单元退化后的四节点四面体形式，相邻构件间采取节点绑定(MPC)约束以实现节点间力的通报。
2.3设置材料参数
弧形钢闸门的门体与支臂的紧张材料为Q235B钢板，厚度均大于或即是20mm，按照NB35055—2015，材料参数取如下值:弹性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.30，密度取7850kg/m3。
2.4打算工况与边界条件
电站所处位置为浙江晒台县，属于地震极少地区，可忽略弧形钢闸门在遭遇地震时横向加速度水锤的浸染。按照弧形钢闸门实际的事情状态，校核打算时紧张考虑以下两种工况:(1)静态挡水;(2)启门瞬间。约束边界条件和载荷边界条件施加方法，(1)静态挡水工况，约束边界条件如下设置:支铰座底面为固定支承，支铰轴与支铰孔内设置圆柱约束以仿照弧形钢闸门启闭时支铰的旋转浸染，两侧边梁止水橡皮安装面设置无摩擦约束限定门体横向自由度，两个吊耳孔内施加竖向约束。载荷边界条件设置为:根据闸门设计水头在弧形钢闸门面板上施加静水压力，设置重力加速度9.8m/s2以施加弧形钢闸门自重载荷;(2)启门瞬间工况:以工况1的约束边界条件和载荷边界条件为根本，两个吊耳孔去掉Y方向竖向约束后分别施加弧形钢闸门提升方向的启闭力315kN，力矢量方向为Y轴正向，弧形面板底缘施加无摩擦约束，以仿照启门瞬间底缘的吸附浸染。
3、后处理结果与剖析
3.1安全校核准则
弧形钢闸门门体及支臂紧张构造材料为塑性材料，适用于VonMises准则(第四强度理论)进行校核，第4强度理论打算公式为:
式中，σ1、σ2、σ3—构造件任意位置积分点处三个方向的应力分量。
ANSYSWorkbench打算出某积分点处应力分量，根据以上公式打算出的应力σv即称之为构造件某个积分点处的综合VonMises应力。
根据NB35055—2015哀求，采取Q235B钢板作为构件制造材料的弧形钢闸门许用应力见表1。
表1Q235B钢制闸门许用应力
考虑到弧形钢闸门的事情安全性以及在较长的利用韶光后紧张构件有可能涌现堕落引起的板厚减薄成分，NB35055—2015哀求弧形钢闸门的许用应力要根据其主要程度和事情工况强度情形取应力调度系数[9]，常日在0.80～0.95之间。对付利用较永劫光的弧形钢闸门，在应力校核时要根据SL101—2014《水工钢闸门和启闭机安全检测技能规程》，按照投入利用韶光的是非取韶光调度系数，常日在1.0～0.90之间。该弧形钢闸门为中型水利工程的事情门，投入利用韶光为16a，两种系数均取0.95，终极许用应力折减系数为两者乘积，经折减处理后的弧形钢闸门许用应力见表2。
表2折减调度后的Q235B钢制闸门许用应力
根据表2，当弧形钢闸门所有构件大部分区域的σv小于即是Q235B钢折减后抗拉抗压和抗弯许用应力[σ]，弧形钢闸门即可评估为强度合格。其余NB35055—2015规定潜孔式事情闸门和事件闸门的主梁的最大挠度与打算跨度的比值不应超过L/750(L为闸门门体横向跨度)，弧形钢闸门门体宽度为2000mm，因此门体的最大挠度不应超过2.667mm。ANSYSWorkbench中根据载荷边界条件对有限元模型求解出的节点变形进行数学处理后得到的值称之为位移(Displacement)，若弧形钢闸门的门体和支臂位移小于2.667mm，那么弧形钢闸门即可评估为刚度合格。
3.2支铰及吊耳约束的反力
求解完成后，在后处理中提取弧形钢闸门有限元模型的约束反力和综合VonMises应力，弧形钢闸门门体在静态挡水工况下，单支臂支铰座的反力为4.73×106N，反力方向矢量穿过支铰轴指向门体，反力值与门体施工图标注的面板设计总水压力4600kN非常靠近，解释施加的载荷边界条件和约束边界条件完备符合弧形钢闸门在事情状态下的真实受力情形。在启门瞬间工况，支铰座反力增大至5.15×106N，支铰座反力增大的缘故原由是弧形钢闸门在启门瞬间由于面板底缘的吸附浸染，吊耳上的启门力在两处支臂杆上的分力小幅度增大导致支铰座处的反力增加，可见启门瞬间是弧形钢闸门构造受力不利的工况。
3.3VonMiese应力结果
静态挡水工况下，弧形钢闸门综合VonMises应力及变形分布，门体构件以及支臂构件大部分区域的综合VonMises应力小于125MPa，小于Q235B钢折减后抗拉抗压和抗弯许用应力，钢闸门在静态挡水工况下强度评估合格。部分构造件相打仗边缘涌现局部应力集中，如弧形钢闸门门体底缘处，靠近主梁2下方的纵梁1后翼板边缘与面板打仗部位，其综合VonMises应力达到220.18MPa，虽然该处的综合VonMises应力超过了表3中Q235B钢折减后局部承压最大许用应力，但ANSYSWorkbench在求解实体单元构成装置体的有限元模型时，个别相邻构件的几何边缘难以避免涌现局部应力集中的情形，若该处的应力在合理范围内且局部应力集中部位并非重点关注构件，常日将该局部应力集中作为“应力奇异点”而舍弃。其余根据圣维南事理，构造件几何突变部位的局部应力集中不影响构件的整体受力状态，Q235B钢为塑性材料，塑性材料受荷载后局部应力集中会因构造产生局部塑性变形而大大缓解，因而局部应力集中对整体构造安全性不会产生影响。
主横梁作为最紧张的承力构件，分担面板的水压力并通报至支臂。在静态挡水工况下，主梁1及主梁2腹板横向的综合VonMises应力分布如图2所示。
图2挡水工况闸门主梁1应力变革曲线
主梁1及主梁2的综合VonMises应力不超过40.0MPa，其应力分布特点是主梁两端靠近边梁处综合VonMises应力较小，最大综合VonMises应力涌如今主横梁从竖向中央面向旁边各0.5m长度的位置。主梁1及主梁2构件的综合VonMises应力小于表2中Q235B钢折减后抗拉抗压和抗弯许用应力，因而其强度评估合格。中纵梁被主梁1及主梁2分隔为上中下三段，上段兼做吊耳板，在静态挡水工况，主梁、横梁以及面板承担了大部分水压载荷，中纵梁分担水压载荷相对较少，纵梁腹板综合VonMises应力不超过78MPa，主梁1后翼缘与中纵梁腹板发生挤压而涌现局部应力集中，局部应力集中处的最大综合VonMises应力为91.62MPa，小于表2中Q235B钢折减后抗拉抗压和抗弯许用应力，其强度评估合格。
高下支臂构件直接承受来自门体的水压力，从图2打算结果来看，高下支臂的综合VonMises应力靠近门体连接处偏低，沿支臂轴向朝着支铰方向综合VonMises应力逐渐增大，在靠近裙板处达到最大值，个中上支臂的综合VonMises应力明显高于下支臂，因而上支臂的构造强度较为主要，在设计中要仔细考虑。
图3静态挡水工况闸门高下支臂应力变革曲线
在启门瞬间工况，弧形钢闸门门体的应力及变形，其综合VonMises应力分布状况与静态挡水工况下应力分布状况比较没有明显变革，最大综合VonMises应力涌如今上支臂翼板下方，靠近支臂间工字型加固撑翼板以及后方的工字型加固撑翼板相交区域，属于局部应力集中征象，不影响整体构造强度。但上支臂两侧腹板的最大综合VonMises应力比静态挡水工况下打算结果增大13.2%(静态挡水工况110.2MPa，启门瞬间工况124.8MPa)，经剖析认为，上支臂构件涌现综合VonMises应力增大的缘故原由是启门瞬间因泥沙和水流在门体底缘的吸附浸染，启门力在上支臂处的分力增大而导致。虽然上支臂构件在两种工况下的综合VonMises应力小于表2中Q235B钢折减后抗拉抗压和抗弯许用应力，但因上支臂相对下支臂受力较大，在与本文相同类型弧形钢闸门的支臂设计中，应考虑增大高下支臂杆件截面的抗弯截面系数以提高其承载能力。
3.4构造位移打算结果
弧形钢闸门整体位移特性以门体与支臂前端向水流下贱方向平移为主。在静态挡水工况，弧形钢闸门构造最大位移值为4.309mm，最大位移值涌现的位置为面板顶部边缘两侧。弧形钢闸门门体竖向构件纵梁1、边梁1、2，与横向构件主梁1、2、横梁1～5构成门体的紧张承力构造，并将面板分成16个区格，由于区格中心和面板顶部边缘以及底部底缘没有承力构件，因此在门体承受总水压力4600kN状态下，面板各个区格中心因水压力浸染呈现“凹陷”状态，同时面板顶部边缘以及底部底缘也因凹陷外加门体受水压浸染向水流下贱平移，因而面板底部底缘涌现最大位移值。除面板顶部边缘以及底部底缘外，面板其他区格中心变形较小。水压力通过面板浸染在各个主梁、横梁等构件上，主梁横梁的变形以横向波折为主。主梁1、2旁边两端位移值为2.47mm，中央为2.39mm，其挠度为0.08mm;横梁1-5的挠度分别为0.08、0.04、0.06、0.05、0.03mm;纵梁吊耳板顶部位移值为2.83mm，底部位移值为2.33mm，门体整体横向挠度和高度方向挠度不超过1mm，门体自身变形很小。从侧面看，高下支臂与门体构成三角受力构造，门体将水压力通报至支臂的端部，导致高下支臂向支铰方向移动，高下支臂最大位移涌如今高下支臂前端与门体连接的法兰处，其值为2.39mm。
在启门瞬间工况，弧形钢闸门门体及支臂的位移趋势以及最大位移涌现位置与静态挡水工况打算结果相同，由于吊耳处启门力的浸染，闸门门体顶端位移值略高于静态挡水工况下的位移值，底缘处位移值则略小。启门瞬间工况弧形钢闸门构造最大位移值为5.011mm，比静态挡水工况大0.7mm。主梁1旁边两端位移值为2.89mm，中央2.81mm，挠度0.08mm、主梁2旁边两端位移值为1.84mm，中央为1.74mm，挠度为0.10mm;横梁1-5的挠度分别为0.07、0.03、0.06、0.06、0.06mm;纵梁吊耳板顶端位移值为3.69mm，底部位移值为1.59mm。门体横向挠度不超过1mm，纵向挠度2.1mm。在启门工况高下支臂最大位移值为2.64mm，最大值涌如今上支臂前端与门体连接的法兰处，下支臂前端与门体连接法兰处的位移值为1.67mm，可见由于吊耳启闭力和门体面板水压力复合浸染下，上支臂的位移值大于下支臂的位移值。门体及支臂在两种工况下的最大位移值小于NB35055—2015哀求的最大挠度，弧形钢闸门的刚度评估合格。
4、门体底缘局部应力集中原因剖析与优化
在静态挡水和启门瞬间两种工况下，由于弧形钢闸门门体竖向构件只有中央的纵梁1以及两侧的边梁1、2，纵梁与边梁之间相隔1.0m，在水压力浸染下，门体主梁2下方与纵梁1交界形成的面板区格底缘处短缺支撑，因此该处的位移值相对纵梁构件较大(区格中央下边缘3.37mm，纵梁中央2.3mm)。其余，面板底缘与下纵梁的后翼板相互打仗，当门体面板底缘涌现变形时，面板底缘与下纵梁的后翼板彼此挤压，因而不才纵梁后翼板边缘尖点处涌现局部应力集中。虽然局部应力集中部位为非关键部件，对整体安全性没有影响，但因面板底缘构造支配不合理，需进行构造优化以肃清局部应力集中。采纳局部补强办法，在面板底缘处增加2块加强板，避免面板底缘与下纵梁后翼板端部局部挤压。底缘设置加强板后，以静态挡水工况为边界条件再次进行有限元剖析，打算结果表明下纵梁后翼板的局部应力集中完备肃清，由原来的220.18MPa降落至73MPa，局部变形也基本肃清。
5、结论
本文基于ANSYSWorkbench建立了弧形钢闸门的有限元模型，求解并剖析了弧形钢闸门在静态挡水和启门瞬间两种工况下支铰座反力变革情形，构造整体及紧张承力构件的综合VonMises应力与位移的分布规律与变革情形，依照NB35055—2015评估了弧形钢闸门的安全性，剖析了弧形钢闸门面板底缘局部应力集中的缘故原由并对底缘构造进行优化。形成如下结论。
(1)弧形钢闸门在静态挡水和启门瞬间两种工况下，门体与支臂构件的强度及刚度评估合格，启门瞬间支铰座支承力增大，因而启门瞬间是弧形钢闸门受力最为不利的情形。
(2)构建实体几何模型，导入ANSYSWorkbench建立实体有限元模型的方法效率较高。
(3)对付单支臂形式的弧形钢闸门，在启门瞬间工况，上支臂构件最大综合VonMises应力要比静态挡水工况增大13.2%，建议在同类型弧形钢闸门设计阶段，应考虑同时加大高下支臂的抗弯截面系数以改进支臂构件的受力情形。
(4)对付实体单元构建的装置体有限元模型，非关键部位因相邻构件几何边缘相互挤压引起的局部应力集中对整体构造安全性没有影响，通过局部补强的办法能够有效降落或肃清局部应力集中。
