ANSYS在平面鋼閘門三維有限元分析中的應用

2013-06-10 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

作者: 雒翠來源: 萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 平面閘門建模有限元
目前對于水閘平面鋼閘門剛度、強度校核基本上是按照常規(guī)的平面體系進行結(jié)構(gòu)計算,其計算結(jié)果不能有效反映閘門的空間效應。對于空間效應較強、結(jié)構(gòu)較為復雜的大型水工鋼閘門宜用空間有限元來進行計算,本文基于ANSYS軟件對某防洪閘平面鋼閘門進行了三維有限元分析,得出了一些有益結(jié)論,并用于指導設計。

一、引言

閘門門葉結(jié)構(gòu)由面板、主梁、邊梁、水平次梁及垂直次梁等構(gòu)件組成;這些梁系的連接形式一般有同層布置和疊層布置兩種。梁系同層布置是指主、次梁的前翼緣均緊貼面板。這種連接形式,梁系與面板形成剛強的整體,整體剮度較好;面板為四邊支承,受力條件好。在實際梁系中,面板參與梁的作用,即焊縫兩側(cè)的面板在一定寬度內(nèi)可以兼作梁的翼緣,參加梁的抗彎工作。

某防洪閘平面鋼閘門梁系結(jié)構(gòu)采用同層布置,門葉結(jié)構(gòu)典型布置如圖所示。根據(jù)實際布置及止水需要,閘門面板側(cè)為下游,梁系結(jié)構(gòu)側(cè)為上游,閘門底高程為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。從圖看出,底主梁由于結(jié)構(gòu)布置原因,高程比較靠上,造成面板及豎直次梁底部有較大懸空,從平面體系進行結(jié)構(gòu)設計與剛度、強度校核,上游水壓力分配是設計一個難點,不確定因素較多,故采用三維有限元進行校核。

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圖1 門葉布置圖

二、閘門有限元建模

1.計算軟件

ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件,可廣泛地應用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學、輕工、地礦、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學研究。ANSVS軟件是第一個通過1S09001質(zhì)量認證的大型分析設計類軟件,是美國機械工程師協(xié)會(ASME)、美國核安全局(NQA)及近二十種專業(yè)技術(shù)協(xié)會認證的標準分析軟件。功能強大、通用性好、具有良好開放性,對大型結(jié)構(gòu)件在分析計算時比較方便且精度較高12113|。因此鋼閘門空間有限元分析選用ANSYS軟件進行建模、計算與后處理。

2.計算模型

網(wǎng)格剖分:根據(jù)該防洪閘門的結(jié)構(gòu)特點,在建立模型時,將單元類型分為三種:面板采用SHELL63單元(板單元),主梁、橫次梁、豎直次梁、邊梁采用BEAM188單元(梁單元),經(jīng)過NASYS的有限元網(wǎng)格劃分,得到3045個結(jié)點、2482個單元,其中SHELL63單元1564個,BEAM188單元918個。最后的有限元網(wǎng)格模型如圖所示。

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圖2 閘門整體網(wǎng)格圖

約束條件:計算模型底部采用豎直向連桿約束,懸臂輪支點采用上下游方向連桿約束。

坐標系:閘門跨度方向為x向,閘門高度方向為Y向,下游到上游方向為Z向。

3.計算基本資料

(1)計算參數(shù)

Q235鋼材彈性模量取210GPa,泊松比0.27,密度。

(2)計算荷載

計算荷載主要為:自重、上下游面板水荷載(校核水位上游21.0m,下游12.4m)
三、計算結(jié)果分析

設計及施工單位主要關(guān)心主粱的撓度與應力情況,結(jié)果分析主要給出三根主梁的計算結(jié)果。

1.主梁位移

主梁1、主梁2、主梁3撓度如圖3、圖4、圖5所示,圖中單位:位移為m(除圖中注明外)。

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圖3 主梁1撓度圖

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圖4 主梁2撓度圖

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圖5 主梁3撓度圖

由圖可知,第1主梁最大撓度11.5mm,第2主粱最大位移為1.8mm,第3主梁最大彎應力為10.2mmm。均出現(xiàn)在跨中,規(guī)范允許的最大位移,剛度滿足要求。主梁另外兩個方向位移基本為O,可以忽略不計。

2.主粱應力

主梁1、主梁2、主梁3的X方向正應力如圖6、圖7、圖8所示,圖中單位:應力為Pa,以拉應力為正,壓應力為負,方向與坐標系相同。

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圖6 主梁1正應力圖

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圖7 主梁2正應力圖

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圖8 主梁3正應力圖

由圖可知,第1主梁最大正應力為14I.0MPa,第2主梁最大正應力為119.0MPa,第3主梁最大正應力為107MPa,各主梁最大正應力均為壓應力,且均出現(xiàn)在各梁下翼緣的中間處,小于材料的容許強度,且從上往下依次升高,底部受水荷載大造成的。

四、結(jié)論

對于結(jié)構(gòu)比較簡單的平面鋼閘門。比如雙主梁鋼閘門,如果荷載不大且梁系結(jié)構(gòu)布置比較合理,常規(guī)的平面體系進行結(jié)構(gòu)計算足夠滿足工程建設要求。但如果閘門門葉結(jié)構(gòu)比較復雜且水壓力比較大,而且位置比較重要.比如重要城市防洪閘,采用本文闡述的方法,即采用通用軟件ANSYS的梁·殼單元進行剛度、強度復核。建模簡單、分析快捷,計算成果對設計和施工有較大的指導意義。

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