ANSYS在平面鋼閘門(mén)三維有限元分析中的應(yīng)用

2013-06-10 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線

作者: 雒翠來(lái)源: 萬(wàn)方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 平面閘門(mén) 建模有限元
目前對(duì)于水閘平面鋼閘門(mén)剛度、強(qiáng)度校核基本上是按照常規(guī)的平面體系進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算,其計(jì)算結(jié)果不能有效反映閘門(mén)的空間效應(yīng)。對(duì)于空間效應(yīng)較強(qiáng)、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的大型水工鋼閘門(mén)宜用空間有限元來(lái)進(jìn)行計(jì)算,本文基于ANSYS軟件對(duì)某防洪閘平面鋼閘門(mén)進(jìn)行了三維有限元分析,得出了一些有益結(jié)論,并用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

一、引言

閘門(mén)門(mén)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(qiáng)的整體,整體剮度較好;面板為四邊支承,受力條件好。在實(shí)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(mén)梁系結(jié)構(gòu)采用同層布置,門(mén)葉結(jié)構(gòu)典型布置如圖所示。根據(jù)實(shí)際布置及止水需要,閘門(mén)面板側(cè)為下游,梁系結(jié)構(gòu)側(cè)為上游,閘門(mén)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(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與剛度、強(qiáng)度校核,上游水壓力分配是設(shè)計(jì)一個(gè)難點(diǎn),不確定因素較多,故采用三維有限元進(jìn)行校核。

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圖1 門(mén)葉布置圖

二、閘門(mén)有限元建模

1.計(jì)算軟件

ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件,可廣泛地應(yīng)用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車(chē)交通、國(guó)防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究。ANSVS軟件是第一個(gè)通過(guò)1S09001質(zhì)量認(rèn)證的大型分析設(shè)計(jì)類(lèi)軟件,是美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)(ASME)、美國(guó)核安全局(NQA)及近二十種專業(yè)技術(shù)協(xié)會(huì)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)分析軟件。功能強(qiáng)大、通用性好、具有良好開(kāi)放性,對(duì)大型結(jié)構(gòu)件在分析計(jì)算時(shí)比較方便且精度較高12113|。因此鋼閘門(mén)空間有限元分析選用ANSYS軟件進(jìn)行建模、計(jì)算與后處理。

2.計(jì)算模型

網(wǎng)格剖分:根據(jù)該防洪閘門(mén)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),在建立模型時(shí),將單元類(lèi)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?jiǎn)卧?,經(jīng)過(guò)NASYS的有限元網(wǎng)格劃分,得到3045個(gè)結(jié)點(diǎn)、2482個(gè)單元,其中SHELL63單元1564個(gè),BEAM188單元918個(gè)。最后的有限元網(wǎng)格模型如圖所示。

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圖2 閘門(mén)整體網(wǎng)格圖

約束條件:計(jì)算模型底部采用豎直向連桿約束,懸臂輪支點(diǎn)采用上下游方向連桿約束。

坐標(biāo)系:閘門(mén)跨度方向?yàn)閤向,閘門(mén)高度方向?yàn)閅向,下游到上游方向?yàn)閆向。

3.計(jì)算基本資料

(1)計(jì)算參數(shù)

Q235鋼材彈性模量取210GPa,泊松比0.27,密度。

(2)計(jì)算荷載

計(jì)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(jì)算結(jié)果分析

設(shè)計(jì)及施工單位主要關(guān)心主粱的撓度與應(yīng)力情況,結(jié)果分析主要給出三根主梁的計(jì)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(yīng)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(gè)方向位移基本為O,可以忽略不計(jì)。

2.主粱應(yīng)力

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

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圖6 主梁1正應(yīng)力圖

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圖7 主梁2正應(yīng)力圖

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圖8 主梁3正應(yīng)力圖

由圖可知,第1主梁最大正應(yīng)力為14I.0MPa,第2主梁最大正應(yīng)力為119.0MPa,第3主梁最大正應(yīng)力為107MPa,各主梁最大正應(yīng)力均為壓應(yīng)力,且均出現(xiàn)在各梁下翼緣的中間處,小于材料的容許強(qiáng)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(duì)于結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的平面鋼閘門(mén)。比如雙主梁鋼閘門(mén),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(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算足夠滿足工程建設(shè)要求。但如果閘門(mén)門(mén)葉結(jié)構(gòu)比較復(fù)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(jìn)行剛度、強(qiáng)度復(fù)核。建模簡(jiǎn)單、分析快捷,計(jì)算成果對(duì)設(shè)計(jì)和施工有較大的指導(dǎo)意義。

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