某升船機(jī)閘首結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

孫世威

關(guān)鍵詞： ABAQUS 鉸鏈 閘首 應(yīng)力

采用鉸鏈單元對(duì)閘首設(shè)備進(jìn)行全過(guò)程動(dòng)態(tài)分析，得到閘首設(shè)備運(yùn)行全過(guò)程應(yīng)力位移情況。同時(shí)采用離散剛體和接觸對(duì)部分不關(guān)注結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，避免了常規(guī)約束帶來(lái)的應(yīng)力集中，更好地判斷閘首結(jié)構(gòu)運(yùn)行全過(guò)程中應(yīng)力變化[1-2]。

1 工程背景

某水電站升船機(jī)閘首結(jié)構(gòu)為承船廂的配套對(duì)接密封設(shè)施，要求擋水高度為12.4 m。在擋水的同時(shí)，該閘首需滿足兩種運(yùn)行工況，一種是鋼絲繩吊掛，一種是閘首自身鎖定機(jī)構(gòu)鎖定在軌道上，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2 有限元模型建立

采用Solidworks 建立閘首結(jié)構(gòu)的三維簡(jiǎn)化模型，并采用Hypermesh 對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立有限元模型。由于該閘首結(jié)構(gòu)為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，故該文只建立1/2 模型，閘首共采用324 830 個(gè)單元，單元類(lèi)型采用S4R 殼單元，C3D8I 實(shí)體單元，單元尺寸為70 mm，單元質(zhì)量如圖2 所示。

模型采用t、mm、s、N、MPa、N-mm 單位制。其中材料參數(shù)為：密度ρ =7.85×10?9 t/mm3，彈性模量E=2.08×105、泊松比0.3，重力加速度為g=9.8×103 t/s2，同時(shí)經(jīng)查詢圖紙，該橋機(jī)主梁材料為Q355C，計(jì)算中采用塑性階段曲線，如圖3 所示。

閘首結(jié)構(gòu)中臥倒小門(mén)上的密封橡膠材料根據(jù)DL/T5018 附錄N，取邵氏硬度60，并采用Mooney-rivlin 模型[3-4]對(duì)橡膠進(jìn)行模擬，參數(shù)如表1 所示。

3 計(jì)算工況及邊界條件

閘首結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)工況為：LC1 為鋼絲繩將閘首工作大門(mén)吊起擋水狀態(tài)；LC2 為閘首工作大門(mén)靠?jī)蓚?cè)鎖定鎖住擋水狀態(tài)；LC3 為閘首工作大門(mén)無(wú)水狀態(tài)下關(guān)門(mén)過(guò)程。分析中考慮的主要荷載與約束列于表2和表3。

各計(jì)算工況下，荷載與約束組合列于表4。

4 計(jì)算結(jié)果

LC1 工況下應(yīng)力及位移云圖如圖4 所示。

LC2 工況下應(yīng)力及位移云圖如圖5 所示。

LC3 工況下應(yīng)力及位移云圖如圖6 所示。

臥倒小門(mén)最后關(guān)閉轉(zhuǎn)角為90°時(shí)，密封橡膠的壓力云圖如圖7 所示。

從圖7 可看出，臥倒小門(mén)在剛剛關(guān)到位時(shí)，密封橡膠上的壓力比較符合常規(guī)要求，在底部壓縮量較大，上部較小。承受水壓后，受壓部位集中到橡膠側(cè)邊，底部橡膠反而沒(méi)有壓縮量，會(huì)導(dǎo)致漏水。因此，在實(shí)際安裝調(diào)試時(shí)，橡膠底部部位經(jīng)常會(huì)被安裝單位墊起以達(dá)到止水目的。

在建模計(jì)算時(shí)，在模型相關(guān)邊界約束自由度方面以離散剛體模擬不關(guān)心的設(shè)施，然后建立接觸關(guān)系，這樣就避免了自由度約束帶來(lái)的應(yīng)力集中[5-7]。圖8 是閘首主輪處以接觸代替SPC 約束的應(yīng)力云圖。

5 結(jié)語(yǔ)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中建議靈活采用鉸鏈單元，這樣可分析設(shè)備運(yùn)行全過(guò)程的應(yīng)力變化。同時(shí)由于設(shè)計(jì)階段對(duì)于設(shè)備重點(diǎn)區(qū)域不清晰，通常會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)全模型區(qū)域應(yīng)力異常點(diǎn)都比較關(guān)心，因此，建議盡量采用離散剛體和接觸關(guān)系代替通常的SPC 接觸，這樣可避免SPC 約束帶來(lái)的應(yīng)力集中，導(dǎo)致設(shè)計(jì)誤判。