張軍，田海平，黃波(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

水電站二級放空洞偏心鉸弧形閘門靜力特性有限元分析

張軍，田海平，黃波
(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

建立了大東江水電站二級放空洞偏心鉸弧形閘門的精細化模型，采用有限元法研究了閘門在自重、靜水壓力、溫度荷載、支鉸沉陷等不同荷載組合下的靜力特性。結(jié)果表明閘門在各種工況下應(yīng)力較大區(qū)域均較小，對閘門強度的影響較小，剛度計算滿足設(shè)計要求，計算結(jié)果為閘門運維檢修工作提供重要技術(shù)支持。

偏心鉸弧形閘門；靜力特性；剛強度；有限元

大東江水電站二級放空洞工作閘門于1988年投運。其設(shè)計參數(shù)擋水面積、水頭及總水壓力三大指標高出當時國內(nèi)已有水平。閘門為偏心鉸弧形閘門〔1〕是在常規(guī)門型難以滿足閘門的孔口尺寸、在建筑物中的位置、水力條件、止水裝置、結(jié)構(gòu)型式、門槽體型等特殊要求而誕生的，能有效解決高水頭閘門的滲漏、縫隙射流產(chǎn)生的空蝕、振動及泥沙磨損等問題。

目前對弧形閘門的靜力特性研究較多〔2－7〕，對偏心鉸弧形閘門的研究相對較少〔2〕，而對偏心較弧形閘門在各種工況下的靜力研究則更少。2016年3月，東江水電站偏心鉸弧形閘門進行了全面檢修，為了解和掌握閘門在檢修后的靜力特性，采用三維有限元法分別計算了閘門可能存在的3種不同荷載組合的工況，并進行了比較分析。

1 計算

1.1 計算原理

采用三維有限元法的靜力控制方程:

1.2 計算模型

弧形閘門門葉的面板、縱梁、橫梁、肋板及它們之間的聯(lián)系板等采用ANSYS的殼單元Shell63模擬，共劃分49 537個單元。支臂主板、撐板、撐板翼緣及弧形閘門的支承鉸是整個閘門中最重要的組成部分，它的作用是將閘門上全部水壓力和部分門重傳給基礎(chǔ)閘墩，并保證閘門能繞水平軸轉(zhuǎn)動，采用三維二次四面體單元Solid187，共劃分32 154個單元。因此，閘門整體三維有限元模型單元總數(shù)為81 691個。圖1列出了閘門的空間有限元網(wǎng)格圖。

圖1 弧形閘門三維有限元網(wǎng)格模型水平側(cè)視圖和俯視圖

1.3 計算工況

根據(jù)設(shè)計資料，該工作閘門結(jié)構(gòu)材料為16Mn鋼(即Q345)，其彈性模量E為2.12×105N/mm2，泊松比γ為0.31，密度ρ為7 870 kg/m3，線膨脹系數(shù)2.12×10－5。

工況1:面板施加最大操作水頭121.92m(校核洪水位)；約束情況:①支鉸中心圓柱面軸向和徑向約束；②面板底緣法向約束。

工況2:在環(huán)境溫差－10℃時，面板施加最大操作水頭121.92m(校核洪水位)；約束情況:①支鉸中心圓柱面軸向和徑向約束；②面板底緣法向約束。

工況3:在1支鉸沉陷5mm時，面板施加最大操作水頭121.92m(校核洪水位)；約束情況:①另一支鉸中心圓柱面軸向和徑向約束；②面板底緣法向約束。

1.4 剛強度評價標準

按照文獻〔7〕，各主要部件材料的容許應(yīng)力列于表1。

閘門強度采用第4強度理論的等效應(yīng)力進行評價，由于受力狀況不同，閘門各部件的強度評判標準亦不相同。東江水電站二級放空洞弧形閘門各部件厚度主要集中在第3組，少部分位于第2、4、5組。

表1 閘門各主要部件材料的容許應(yīng)力

對于受彎部件，應(yīng)根據(jù)撓度計算結(jié)果進行剛度校核。根據(jù)文獻〔8〕的規(guī)定:對于潛孔式工作閘門，其主梁的最大撓度與計算跨度的比值，不應(yīng)超過1/750。閘門橫梁左右支臂間的跨度為4 000 mm，其容許出現(xiàn)的最大撓度為5.33 mm；閘門主梁上下支臂間的跨度為6000mm，其容許出現(xiàn)的最大撓度為8.00mm。

2 計算成果分析

圖2顯示偏心鉸弧形閘門典型工況(工況1)應(yīng)力較大區(qū)域云圖，表2列出了工況1－3弧門靜力有限元分析的主要計算成果，表3為工況1－3弧門主要結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力計算結(jié)果，表4給出了工況1－3弧門面板、橫梁、縱梁的徑向位移特征值。

圖2 工況1應(yīng)力較大區(qū)域云圖

由圖2可知，門葉應(yīng)力較大區(qū)域大多位于主橫梁與縱梁聯(lián)系板和肋板處，存在幾何形狀突變等問題，箱體中部的主橫梁圓方孔底部區(qū)域也存在一定應(yīng)力集中，支臂應(yīng)力較大區(qū)域集中于上下支臂間的撐板翼緣角落處，其中以靠近門葉的撐板翼緣區(qū)域最為明顯，這些應(yīng)力集中區(qū)域均存在幾何形狀的突變，其余工況應(yīng)力較大區(qū)域與之相差不大。

表2 靜力計算結(jié)果

表3 M ises應(yīng)力計算結(jié)果MPa

表4 弧門面板、橫梁、縱梁的徑向位移特征值

由表2可知，弧門的最大等效應(yīng)力為638.8MPa。x向(上下支臂中心線方向)位移最大達9.50mm，y向(中心線垂直方向)位移最大達3.38 mm，z向(橫水流向)位移最大達1.72mm，弧門結(jié)構(gòu)的合位移最大達9.80mm。環(huán)境溫差(－10℃)的對最大等效應(yīng)力影響不超過10 MPa；增大了x向、y向的位移及合位移，降低了z向位移，其中以x向位移的影響最大，增加了5.28 mm。支鉸沉陷(5mm)的對最大等效應(yīng)力的影響不超過20 MPa；增大了x向、y向的位移及合位移，降低了z向位移，其中以y向位移的影響最大，增加了1.66mm。

由表3可知，環(huán)境溫差增大了面板、支臂主板、支鉸的應(yīng)力，其中以面板、支鉸影響較大；支鉸沉陷增大了面板、縱梁、橫梁、支臂間聯(lián)系板的應(yīng)力，其中以支臂間聯(lián)系板影響較大。

由表4可知，環(huán)境溫差增大了主橫梁、主縱梁的位移差值，范圍為0.33～0.54mm，其中主縱梁增加值最大。支鉸沉陷增大了面板、主橫梁、主縱梁的位移差值，范圍為0.07～1.77mm，其中面板增加值最大。

該水電站二級放空洞工作閘門在各種工況下主橫梁的最大差值為工況2下的2.02mm，小于最大撓度容許值5.33mm；主縱梁的最大差值為工況3下3.61mm，小于最大撓度容許值8.00mm，若不考慮梁沿徑向的變化情況，則最大差值即為梁的最大撓度，若考慮梁沿徑向的變化情況，則最大差值不小于梁的最大撓度，閘門剛度滿足設(shè)計要求。

3 結(jié)論

1)對于閘門強度，其應(yīng)力較大區(qū)域范圍均較小，對閘門的影響有限，某些應(yīng)力集中現(xiàn)象是由于幾何模型的形狀突變不良所致，而對于幾何形狀突變處，現(xiàn)場大都進行了焊接倒角等過渡處理，局部應(yīng)力集中現(xiàn)象可得到有效控制。

2)在各種工況下主橫梁的最大差值為2.02mm，小于最大撓度容許值5.33mm；主縱梁的最大差值為3.61mm，小于容許值8.00mm，由于最大差值均不小于梁的最大撓度，閘門剛度滿足設(shè)計要求。

3)環(huán)境溫差(-10℃)增大了面板、支鉸的應(yīng)力；對x向位移的影響最大，增加了5.28mm，增大了主橫梁、主縱梁的位移差值，為0.33～0.54 mm，其中主縱梁增加值最大。支鉸沉陷(5 mm)增大了支臂間聯(lián)系板的應(yīng)力；以y向位移的影響最大為1.66mm，增大了面板、主橫梁、主縱梁的位移差值為0.07～1.77 mm，其中主縱梁增加值最大。應(yīng)力、位移及其差值的增大，對閘門的強度和剛度均造成了不利影響。

〔1〕鄭登有.關(guān)于偏心鉸弧形閘門〔J〕.水力發(fā)電學報，1998 (3):69-77.

〔2〕錢聲源.偏心鉸弧形閘門靜動力特性分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究〔D〕.南京:河海大學，2006.

〔3〕鄭克紅.高水頭弧形鋼閘門三維有限元分析〔D〕.南京:河海大學.2005，2-4.

〔4〕周旭云.深孔閘門受力分析方法探討〔D〕.南京:河海大學.2000.

〔5〕李文娟，沈煒良，馬兆敏.弧形閘門三維有限元分析〔J〕.山東大學學報，2003(6)，265-270.

〔6〕陳媛.弧形鋼閘門空間結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形有限元計算分析〔D〕.南京:河海大學，1998.

〔7〕郭光林，蔣桐.大型弧形鋼閘門的空間結(jié)構(gòu)分析及計算〔J〕.南京建筑工程學院學報，1999(3):45-50.

〔8〕中國電力工業(yè)部.水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范:DL/T5039—1995〔S〕.北京:中國電力出版社，1995.

Static Characteristics Analysis of the Secondary Cavity Eccentric Hinge Radial Gate of Dongjiang Hydropower Station Based on the Finite Element M ethod

ZHANG Jun，TIAN Haiping，HUANG Bo
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

It establishes the secondary cavity eccentric hinge radial gate refined model of Dongjiang hydropower station，and studies the gate static characteristics under different loads including gravity，hydrostatic pressure and temperature load by finite elementmethods.The results indicated that the area of large stress under different condition is small and has affected the gate strength less.Stiffness calculation meets the design requirements.And calculation results provide important technical supports for the gate operation and maintenance work.

eccentric hinge radial gate；static characteristics；stiffness and strength；FEM

TV34

B

1008-0198(2017)03-0016-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.03.004

2016-12-02