ANSYS在平面钢闸门三维有限元分析中的应用

2013-06-10 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

作者: 雒翠来源: 万方数据
关键字: 平面闸门建模有限元
目前对于水闸平面钢闸门刚度、强度校核基本上是按照常规的平面体系进行结构计算,其计算结果不能有效反映闸门的空间效应。对于空间效应较强、结构较为复杂的大型水工钢闸门宜用空间有限元来进行计算,本文基于ANSYS软件对某防洪闸平面钢闸门进行了三维有限元分析,得出了一些有益结论,并用于指导设计。

一、引言

闸门门叶结构由面板、主梁、边梁、水平次梁及垂直次梁等构件组成;这些梁系的连接形式一般有同层布置和叠层布置两种。梁系同层布置是指主、次梁的前翼缘均紧贴面板。这种连接形式,梁系与面板形成刚强的整体,整体剐度较好;面板为四边支承,受力条件好。在实际梁系中,面板参与梁的作用,即焊缝两侧的面板在一定宽度内可以兼作梁的翼缘,参加梁的抗弯工作。

某防洪闸平面钢闸门梁系结构采用同层布置,门叶结构典型布置如图所示。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10.0m,正常水位上游20.0m,下游12.4m,校核水位上游21.0m,下游12.4m。从图看出,底主梁由于结构布置原因,高程比较靠上,造成面板及竖直次梁底部有较大悬空,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 门叶布置图

二、闸门有限元建模

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。ANSVS软件是第一个通过1S09001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)、美国核安全局(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12113|。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.计算模型

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、竖直次梁、边梁采用BEAM188单元(梁单元),经过NASYS的有限元网格划分,得到3045个结点、2482个单元,其中SHELL63单元1564个,BEAM188单元918个。最后的有限元网格模型如图所示。

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图2 闸门整体网格图

约束条件:计算模型底部采用竖直向连杆约束,悬臂轮支点采用上下游方向连杆约束。

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。

3.计算基本资料

(1)计算参数

Q235钢材弹性模量取210GPa,泊松比0.27,密度。

(2)计算荷载

计算荷载主要为:自重、上下游面板水荷载(校核水位上游21.0m,下游12.4m)
三、计算结果分析

设计及施工单位主要关心主粱的挠度与应力情况,结果分析主要给出三根主梁的计算结果。

1.主梁位移

主梁1、主梁2、主梁3挠度如图3、图4、图5所示,图中单位:位移为m(除图中注明外)。

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图3 主梁1挠度图

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图4 主梁2挠度图

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图5 主梁3挠度图

由图可知,第1主梁最大挠度11.5mm,第2主粱最大位移为1.8mm,第3主梁最大弯应力为10.2mmm。均出现在跨中,规范允许的最大位移,刚度满足要求。主梁另外两个方向位移基本为O,可以忽略不计。

2.主粱应力

主梁1、主梁2、主梁3的X方向正应力如图6、图7、图8所示,图中单位:应力为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6 主梁1正应力图

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图7 主梁2正应力图

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图8 主梁3正应力图

由图可知,第1主梁最大正应力为14I.0MPa,第2主梁最大正应力为119.0MPa,第3主梁最大正应力为107MPa,各主梁最大正应力均为压应力,且均出现在各梁下翼缘的中间处,小于材料的容许强度,且从上往下依次升高,底部受水荷载大造成的。

四、结论

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,而且位置比较重要.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。

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