張 利 田次平 游慕賢

(長江水利委員會水文局荊江水文水資源勘測局，湖北 荊州 434000)

基于協(xié)同仿真環(huán)境的水文纜道自立式鋼管主塔有限元分析

張 利 田次平 游慕賢

(長江水利委員會水文局荊江水文水資源勘測局，湖北 荊州 434000)

為準確了解水文纜道在實際生產(chǎn)中的受力狀態(tài)，采用ANSYS Workbench軟件進行有限元模型分析。首先，用三維軟件建立自立式塔架的三維模型，然后，運用ANSYS Workbench對其靜態(tài)強度與剛度進一步進行精細化有限元分析。結(jié)果表明,自立式塔架強度有足夠的冗余，可以適當(dāng)減小底部管架的直徑進行優(yōu)化分析，使材料得到充分利用，制造更加簡單。在滿足工作要求前提下，選擇最優(yōu)的鋼管塔架模型，可進一步提高經(jīng)濟效益。研究結(jié)果可為今后纜道設(shè)計提供參考。

自立式纜道塔架；ANSYS Workbench；水文纜道；靜態(tài)分析

1 研究背景

水文纜道是用于測流、取沙水文測驗的專用渡河設(shè)施，在我國已有幾十年的應(yīng)用歷史。與其他傳統(tǒng)水文測驗的設(shè)施相比，水文纜道在高洪水位情況下無需測驗人員下水，其定位精度和自動化程度很高，具有很明顯的社會和經(jīng)濟效益[1]。長江水利委員會水文局荊江水文水資源勘測局(以下簡稱“荊江局”)從2000年高壩洲站纜道建設(shè)至今，在國內(nèi)外已建成投入運行的水文纜道有14座。這些纜道為荊江四口和清江防汛測報、緬甸伊江和道耶坎的水電項目搜集水文資料，發(fā)揮了重要作用。本文以荊江局承接的長江流域省界斷面水資源監(jiān)測站網(wǎng)新建工程上津站纜道自立式塔架為研究對象，進行有限元分析。

目前，自立式纜道鋼管塔架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析采用整體空間桁架法。纜道設(shè)計規(guī)范安全系數(shù)選擇所遵循的原則是，牽引索與主索安裝不能保證時，塔架、基礎(chǔ)等岸上機構(gòu)仍保證安全[2]。以荊江局目前設(shè)計的上津站鋼管塔架纜道為例，實測最高水位 140.00 m，最大流量2 480 m3/s；最低水位131.00 m，最小流量5.37 m3/s。纜道主跨設(shè)計為170.0 m，最大流速6.0 m/s，最大水深9 m，塔架整體高10 m，承載主索的塔架高8 m，水文纜道整體布局如圖1所示。

圖1 水文纜道整體布局

影響水文纜道安全的因素有：承載索、牽引索、支架和地錨支架等，與這些因素相比，纜道鋼管塔架的危害系數(shù)最大，因此纜道鋼管塔架的結(jié)構(gòu)受力分析十分必要[3]。通過對鋼管塔的強度分析和剛度分析，找出塔架的整體強度薄弱部位和變形(撓度)最大的部位，就可對塔架結(jié)構(gòu)局部模型進行受力分析。通過有限元分析，可以準確掌握所設(shè)計的鋼管塔架結(jié)構(gòu)強度與疲勞狀態(tài)，針對塔架進行設(shè)計改進，降低成本，使得效益最大化。這樣不僅經(jīng)濟效益顯著，而且對今后的纜道設(shè)計也有非常重要的參考意義。

2 建立有限元結(jié)構(gòu)模型

2.1 纜道塔架受力情況分析

雖然纜道鋼管塔架受多種力作用，但可簡化為3個方面的主要受力：①地錨鋼絲拉力；②主索及牽引索鋼絲繩拉力；③風(fēng)的阻力。這些力大部分集中在塔架頂部，目前的受力分析一般都是基于物理力學(xué)，但利用ANSYS Workbench進行有限元分析，更符合實際情況且切實可行，這也為水文纜道塔架結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計提供了新思路。

自立式塔架由3節(jié)組成，下面2節(jié)高均為4 m，上面1節(jié)是放置纜道主索通過的滑輪與避雷索的滑輪支架，高2 m，頂部為塔架避雷針。將設(shè)計二維圖轉(zhuǎn)換為三維模型如圖2所示。

圖2 自立式鋼管塔架三維模型

2.2 建模及分析步驟

分析可以分為4步：①準備工作；②預(yù)處理；③求解模型；④后處理。通過這些步驟最終得出模擬水文纜道工作情況下的受力情況，進而得到比較完整的結(jié)果。通過結(jié)構(gòu)的后處理，分析如何提高纜道塔架局部結(jié)構(gòu)強度。

(1) 新建三維視圖，建立有限元模型。針對三維立體桿件，模擬鋼管塔架實際生產(chǎn)中的受力情況。鋼管塔架主要幾何參數(shù)為：高度10 m，底部直徑1 040 mm，中部直徑760 mm。

(2) 結(jié)構(gòu)分析。分析前處理并計算纜道塔架最大額定載荷，其由2節(jié)鋼管塔與頂部塔架組成，對其外部的一些零部件進行簡化，然后進行自動劃分網(wǎng)格。

(3) 靜態(tài)分析。對塔架施加載荷及約束條件后，分別求出塔架受到的最大力與位移。

(4) 線性屈曲分析。主要研究結(jié)構(gòu)在特定載荷下的穩(wěn)定性以及確定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的臨界條件下載荷。屈曲分析包括線性屈曲分析和非線性屈曲分析，本文主要采用線性屈曲分析，以小位移、小變形的彈性理論作為基礎(chǔ)。

3 模型求解

3.1 載荷分析及計算

根據(jù)設(shè)計圖紙，主要零部件都由Q235材料制成。Q235是ANSYS Workbench中的Sructural Steel，彈性模量E=200 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 850 kg/m3，屈服強度σs=235 MPa。

施加載荷與邊界條件為 Mechanical求解的邊界條件。水文纜道工作條件下，塔架上的載荷與作用可分為3類：固定載荷、可變載荷和偶然載荷。其中主要受固定載荷、主索的拉力、循環(huán)索拉力、風(fēng)載荷、自重等影響較大[2]。根據(jù)水文纜道設(shè)計規(guī)范，按先定主索空載垂度的方法，主索計算公式為

由纜道設(shè)計規(guī)范提供的方法計算得到結(jié)果分別為2 473，309kg。取安全系數(shù)3.5，計算得到的纜道主索應(yīng)力為8 656MPa，2個循環(huán)索應(yīng)力為5 300MPa；其他的風(fēng)載荷與自重對塔架的影響很小，暫時忽略。對自立式纜道塔三維模型進行網(wǎng)格劃分，ANSYSWorkbench提供了自動劃分網(wǎng)格方法，BodySize=80mm，鋼管塔架網(wǎng)絡(luò)效果劃分與載荷分布情況如圖3，4所示。

圖3 纜道網(wǎng)絡(luò)效果

圖4 載荷分布

作為纜道工作時的主要支撐件，鋼管塔架底部法蘭通過螺桿與底部預(yù)埋件固定連接。因此，其底部平面可以看作固定支架。連接循環(huán)索的2個滑輪為壓力載荷。

3.2 纜道塔架受力求解

對纜道鋼管塔架網(wǎng)格劃分后，施加載荷約束，可分別求出塔架在最大工作幅度時的最大應(yīng)力及位移情況。即纜道行車運行到斷面中部時起吊200 kg鉛魚，纜道鋼管塔架最大應(yīng)力為1.66×106MPa、最大位移為10.79 mm。其中，最大應(yīng)力出現(xiàn)在塔架腰部。分析結(jié)果提示在實際設(shè)計制造過程中，應(yīng)該加強塔架中部強度，最大位移出現(xiàn)在塔架的頂部，頂部與底部直徑之比過大。

經(jīng)過上述分析后得到，在底部直徑1 040 mm時，受力有冗余，頂部位移較小，可以適當(dāng)將底部直徑減小，為了制造方便可以將底部尺寸改為760 mm。修改底部尺寸后，新的模型受力情況如圖5，6所示。

圖5 優(yōu)化后應(yīng)力分析云

圖6 優(yōu)化后應(yīng)變分析云

圖5為應(yīng)力分析云，最大應(yīng)力發(fā)生在纜道頂部，為1.95×106MPa；圖6為應(yīng)變分析云，最大位移為12.66 mm。規(guī)范中斷面向偏移為40 mm，優(yōu)化后位移比修改底部直徑前的位移大，但是在可控范圍內(nèi)。

4 結(jié) 論

本文利用ANSYS Workbench模塊分析了纜道鋼管塔架有限元模型，分別在強度、剛度和穩(wěn)定性方面對水文纜道自立式鋼管塔架的受力進行了分析，并得出以下結(jié)論。

(1) 被分析的纜道鋼管塔架在受到相同的力時，不同的直徑受力情況不同。

(2) 此纜道塔架在ANSYS Workbench下，得到行車位于斷面中部時，最大應(yīng)力為1.66×106MPa、最大位移為10.79 mm。

(3) 優(yōu)化后的塔架底部直徑變小，應(yīng)力為1.95×106MPa，應(yīng)變中最大位移為12.66 mm。優(yōu)化后的塔架在能夠滿足最大應(yīng)力條件下，還能滿足頂部部位應(yīng)變的要求。

[1] 長江流域規(guī)劃辦公室水文處.水文纜道[M]. 北京：中國水利水電出版社，1978.

[2] SL622—2014《水文纜道設(shè)計規(guī)范》[S]. 北京：中國水利水電出版社，2014.

[3] 王承其，全學(xué)友，戴建國. 水文纜道塔架結(jié)構(gòu)分析[J]. 建筑結(jié)構(gòu)，2012(7)：49-51.

(編輯：陳紫薇)

2017-03-31

張利，男，長江水利委員會水文局荊江水文水資源勘測局，助理工程師.

1006-0081(2017)06-0022-03

P335.2

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