弧形闸门闸坝一体化静动力分析及安全评价

针对弧形闸门安全评价中采用的闸门单体计算模型过于简化的问题,应用有限元软件ANSYS对比分析了惯用的闸门单体结构模型与考虑止水摩阻及支铰和牛腿间直接作用的闸坝一体化模型在全闭和瞬间开启2种工况下的静动力特性。以闸坝一体化模型为准,在静力分析方面,在全闭工况时单体模型下框架主横梁的最大位移及等效应力分别偏大108.5%和67.1%,支臂内力偏大52.8%,单体模型下框架极不经济;在瞬间开启工况时单体模型上框架主横梁的最大位移及等效应力偏差分别为-10.1%和-21.2%,支臂内力偏小8.1%,单体模型上框架极不安全。在动力分析方面,止水及流固耦合作用使闸坝一体化模型的弧门前10阶频率最大下降48%,远离了流激振动的主频区,利于弧门的动力稳定。结果表明:合理弧形闸门结构安全评价的模型应为校核水位瞬间开启工况下的闸坝一体化模型,采用此工况及模型才能确保结构分析的正确性,实现闸门结构安全性与经济性的统一。     

基于流固耦合的弧形闸门-闸墩体系的流激振动研究

实际工程中弧形闸门与闸墩联系紧密,在水流脉动压力下二者相互影响,形成一个体系。为了揭示闸门与闸墩的相互影响规律,采取流固耦合理论对弧形闸门-闸墩体系开展流激振动研究。以某水利工程弧形工作闸门为例,针对弧形闸门单体和弧形闸门-闸墩体系分别建立三维有限元模型,计算两种模型的自振频率,基于模态分析的结果对两种模型进行动力响应分析,总结闸门和闸墩在动力特性和流激振动响应方面的相互影响规律。结果表明：闸墩对闸门动力特性及动力响应具有较大影响,考虑闸墩影响时,弧形闸门自振频率下降,其中以支臂振动为主的第4阶自振频率下降幅度最大,为61.45%,面板及支臂顺河向动位移分别减小44.58%及增大37.93%,面板及支臂动应力分别下降41.70%及增加30.71%;闸门流激振动对闸墩应力有显著影响,相较于闸墩按动力系数计算的最大应力增大了4.713 MPa。采用弧形闸门-闸墩体系模型可以更加准确而全面地评估弧形闸门及闸墩在流激振动下的安全特性。     

基于Fluent的南水北调闸门流固耦合数值模拟研究

水工钢闸门在南水北调中线工程中应用较为普遍,对工程的安全及有效输水起着较重要的作用。利用现场闸门检测结果,验证了所建数值模型的合理性,采用CFD(Computational Fluid Dynamics)方法,利用RNG k-ε湍流模型,基于流固耦合理论,结合ANSYS Workbench平台内的Fluent分析模块及Static Structural分析模块,对闸门在不同开度下进行数值模拟分析,得出流场的水流压强和闸门的Mises应力及位移,探寻在不同开度时流场压强及闸门受力规律。结果表明：随着闸门开度的不断减小,闸门底缘附近的压强不断增大,同时闸门面板及主横梁的Mises应力及位移均是不断增大的,尤其当闸门开度小于0.40后,闸门附近处压强有明显增大趋势,面板和横梁的应力及位移有明显增大现象。     

大宽高比弧形钢闸门流激振动数值分析

针对大宽高比弧形钢闸门在水流脉动作用下的动力特性问题,以某节制闸弧形钢闸门为例,建立闸门有限元模型,分析流固耦合、支臂厚度对闸门振动特性的影响。基于随机振动法得到闸门在脉动水流作用下的流激振动位移与应力响应,并利用动力系数法对闸门动力响应做出评价。结果表明:闸门基阶振动受水体影响较小,低阶振动受支臂影响较大;闸门典型工况下的流激振动位移响应最大值为4. 029mm,动应力最大值为61. 247MPa,动力系数均低于1. 20,总体动应力水平较低,在动水作用下可安全运行。     

门槽充水对塔式进水口工作性态的影响研究

坝下涵管作为重要输水建筑物,在土石坝工程中被广泛应用。其进水口启闭竖井塔柱结构遭遇设计洪水位甚至校核洪水位时,竖井内工作门槽及检修门槽常常会充水,此时结构受力状态与常水位下存在差异。采用有限元法对某工程进行仿真分析,分析门槽充水对塔式进水口工作性态的影响。研究结果表明,各工况下结构位移和应力分布规律基本一致,且数值均较小。校核洪水位下,检修闸门门槽及工作闸门门槽内充满水体,结构位移及主拉应力均小于正常蓄水位工况,门槽充水对结构的稳定性和安全裕度具有增强作用。     

南水北调中线某节制闸弧形门小开度振动观测与安全评价

南水北调中线工程冬季闸门小开度运行,闸后淹没水跃紊动剧烈,为验证小开度下闸门运行的安全性,选取蒲阳河典型节制闸开展闸门振动原型观测。通过测量不同开度下的闸门振动特性,分别采用动应力、振动位移(振幅)和频率作为标准进行振动安全评价,结果表明:闸门最大动应力为1.33 MPa,远小于材料允许应力的20%(约32MPa);最大振动位移15.97μm,小于闸门振动危害程度可忽略不计的上限位移50.8μm;所有测试工况的安全临界振幅A与频率f满足lgA(3.14-1.16lgf)。上述三种评价准则的判定结果一致,因此,中线闸门小开度淹没出流条件下,闸后水跃紊动引起的闸门振动危害可忽略,闸门结构安全稳定。     

后止水平面钢闸门结构加固有限元分析

后止水平面钢闸门顶梁、边梁同时承受水压力和其他承重结构传递的力,从而导致顶梁、边梁应力较大且复杂。为改善顶梁、边梁的受力状态,使闸门安全平稳运行,采用加设隔板的方式对闸门结构进行加固,可增大顶梁、边梁惯性矩,从而减小边梁、顶梁最大应力及最大变形。以某水利工程中的后止水平面钢闸门为例,通过ANSYS有限元进行校核分析,表明加固效果较为明显。对比加固前后顶梁、边梁的应力和变形量可知,加固后顶梁、边梁的应力和变形量比加固前皆减小,可见隔板加固方式改善了顶梁、边梁的受力状态,更有利于后止水闸门的安全运行。从分析结果可以看出,通过加设隔板对顶梁、边梁进行结构加固的方法切实可行。     

平面钢闸门自由出流流固耦合数值模拟

针对某露顶式平面钢闸门自由出流下水动力特性及闸门动态响应进行研究,基于ANSYS Workbench平台的Fluent流体分析模块及Static Structural固体结构分析模块,结合动网格技术采用VOF法捕捉闸门开启过程时自由表面流,获得了闸门开启过程中瞬时流速、动水压力、湍动能的发生发展过程。同时,考虑动水压力变化,进行水流-闸门的单向流固耦合数值模拟,闸门应力、应变时程变化规律表明:闸门起吊时各构件最大等效应力大于起吊前的;开启过程中,各项最大应力随时间非线性减小;最大应力值及最大变形主要集中在底部主横梁靠近中间纵梁区域。     

平面钢闸门变形及力学特性影响研究

为了深入研究闸门的流激振动，以实际工程为例，结合双向流固耦合理论，建立有限元模型，分析闸门开度对其位移、应力所产生的影响。结果表明，当相对开度大小为0.3时，闸门最大应力处于最高，为185MPa,并且在继续提高闸门开度时，闸门应力峰值开始慢慢减小，应力变化的幅度也愈来愈小；当相对开度大小为0.1时，闸门最大位移处于最高，为4.609mm,并且随着开度的继续增大，闸门位移最大值也表现出逐渐降低的趋势。但位移峰值在相对开度为0.4时，只比开度为0.1时的小，均高于其他开度时的位移峰值，闸门位移在当相对开度是0.4时一直处在变化过程中。另外，其位移峰值与开度为0.2、0.3时相比也较大，闸门应力、位移在开度为0.4时都处在持续变化中，表明这种工况危险性较高，在此开度闭门的时候要快速通过，不要停留较长时间。     

基于ANSYS-LSDYNA联合计算的冲击体作用闸门时动力响应特征分析研究

针对冲击荷载下供水工程中闸门动力响应特征,引入模态分析方程,模拟计算冲击体与闸门动力特征。研究结果如下:(1)获得了冲击过程中闸门能量特征参数演化规律,动能与内能变化趋势呈相反,动能在碰撞瞬间陡降,总能量持续为900J;闸门能量传递首先在挡水面板系统,后发展至支臂结构。(2)研究了流冰体冲击碰撞破坏过程中等效应力变化,最大等效应力随碰撞时间先增后减,应力分布以闸门迎面冰体侧边缘最大。(3)分析了闸门X、Y向位移特征,各特征点X向位移在25 ms后变化趋势基本一致,变幅为0.05 m; Y向位移变幅为0.02 m,愈靠近闸门面板中部,位移变化幅度愈显著。以期研究成果能为水利工程中闸门设施受冲击荷载下动力响应分析提供一定参考。     

弧形闸门支臂结构空间有限元分析原则研究

为确保有限元法在闸门支臂结构设计中有规可依且科学高效应用、克服设计过程中的随意性问题,对闸门支臂结构几何建模、网格划分、边界条件、荷载施加、分析计算、结果评价等方面进行系统研究。从弧形闸门支臂结构的稳定分析入手,综合运用有限元法与稳定理论对支臂结构的稳定性进行探究。研究发现:当采用常用的梁单元模拟支臂结构时,支臂结构的有限元分析结果由其网格数决定,合理网格数为20到40;考虑初始缺陷、几何和材料双重非线性的有限元法可准确快捷得到支臂结构的稳定临界荷载,线性有限元法一般偏大30%到297.29%。通过有限元分析原则的制定可为闸门结构的有限元分析评价提供安全高效的分析规则,为应用有限元法进行闸门设计奠定技术基础,进一步推动闸门设计规范颁布实施有限元分析的具体标准,提高闸门设计的质量和效率,推广有限元法在闸门设计中的应用。     

基于Ansys Workbench的流固耦合下不同开度弧形闸门应力变形分析研究

针对某水利枢纽工程中弧形闸门在流固耦合场中应力变形特征,引入流固耦合分析理论与Ansys Workbench数值计算平台,研究了闸门支座反力特征参数值随开度值增大而逐渐减小,开度值为5.0时,铰支反力与吊支座反力相比开度值0下分别降低了86.7%、95.0%;分析了两支座反力在不同开度下的差异特点。获得了不同开度下闸门在Z向、X向变形特征与分布态势,量值亦是随开度增大而降低。基于不同开度下应力值变化特征,得到了最大拉、压应力与等效应力分别为132.28 MPa、201.48 MPa、184.27 MPa,小开度与大开度下闸门最大等效应力位置会发生变化。论文为研究闸门安全有效运营的开度值提供一定参考。     

河湖底轴驱动翻板生态闸门静动力特性分析

底轴驱动翻板闸门作为一种新兴河道景观闸门,由于其良好的生态效益在河道水利工程中有着广泛的应用。但是该类型闸门应用时间较短,其结构设计理论尚未成熟,对相关的有限元计算方法的研究也不足。为此,以底轴驱动翻板闸门为研究对象,总结了该类型闸门数值模拟静、动力特性的分析计算方法。以某工程为例,采用CFD-CSD耦合数值计算方法探究了底轴驱动翻板闸门结构运行时在水压力作用下的静、动力特性。首先对各个开度运行工况下闸门的水压力进行数值模拟计算,进一步采用单向流固耦合方法将计算得到的水荷载施加在闸门结构上,分析得出闸门各构件应力及位移随开度的变化趋势。再对闸门结构的干、湿模态进行分析,研究闸前水体对闸门自振模态与频率的影响。研究结果表明：各构件应力和变形在闸门全关闭工况时达到最大值,闸门整体最大应力值为200.79 MPa、最大位移值为47.703 mm,应力和位移随闸门开度的增大而逐渐减小;闸门的自振特性受闸前水体的影响显著,在研究该闸门动力特性时,需要考虑流固耦合效应。     

划子口大跨度弧形钢闸门原型振动观测初探

根据划子口钢闸门原型振动观测成果，从闸门结构的振动加速度、振动位移、振动应力、动水压力及启闭力观测等方面进行原型测量，评价弧形闸门在不同工况下闸门运行的安全性。提出大跨度弧形闸门运行中需要注意的事项，确保闸门安全运行，对其他类似弧形闸门的运行操作具有一定的参考意义。     

三峡水利枢纽导流底孔闸门泄流振动监测与分析

对三峡水利枢纽工程导流底孔闸门动力安全监测资料作了介绍与分析,其中包括闸门的动力特性和在设计水位条件下闸门在动水启闭过程中的振动加速度、振动位移、动静应力、脉动压力和启闭力的监测成果。监测成果表明闸门的自振频率监测成果与闸门水弹性模型试验成果很接近,振型相同;在动水开门和关门过程中,闸门在小开度时,下游面底缘的脉动压力较大;闸门门叶和支臂的振动小开度比大开度的大,未出现危害性振动,各测点的振动位移和振动应力都比较小,闸门振动是安全的。     

露顶式弧形闸门静动态应力数值分析与试验验证

为了确保某水库溢洪道露顶式弧形闸门在各工况下稳定运行以及实现闸门的结构健康监测,结合相关标准分析弧形闸门的静动态应力及变形情况,对露顶式弧形闸门不同运行工况进行研究。采用有限元仿真的方法,分别运用静力学仿真和流固耦合仿真分析计算0～6.5 m水深及0～6 m开度工况下露顶式弧形闸门的应力变形情况;并在现场进行测量试验,在弧形闸门上布置应力传感器,测量在1.4 m水深下弧形闸门在静止和启闭过程的静动态应力。结果表明：弧形闸门面板等效应力值在闸门6.5 m水深下启门瞬间达到最大值,为148.71 MPa;弧形闸门除面板外其他部位等效应力在闸门开度为6 m时达到最大值,为207.63 MPa;弧形闸门主、次梁的总变形量均在闸门6.5 m水深下启门瞬间达到最大值,分别为8.46、8.65 mm。仿真分析结果和传感器测量结果两者的误差在20%以内。     

边荷载对水闸结构应力和变形的影响分析

水闸周边土地的开发建设会改变水闸的边荷载情况，以广州市某水闸工程为例，通过建立二维有限元模型，探究边荷载对水闸结构应力和变形的影响。研究表明，边荷载的增加会对水闸岸墙的应力和位移产生不利影响，会导致水闸排架结构发生转动位移，从而影响闸门的正常启闭。从应力传递和地基土变形方面考虑，建议采用复合地基法、深基础法和隔离桩法减小边荷载引起的不利影响。以复合地基法为例建模分析处理措施的有效性，研究表明，地基处理后可有效减小水闸结构的变形。     

考虑流固耦合效应的弧形钢闸门地震动力响应研究

在地震高发的中国西南地区,地震激励对弧形钢闸门的安全持续稳定运行影响较大,有必要对弧形闸门在地震作用下的动力响应及安全性进行研究。以某工程表孔弧形钢闸门为例,通过建立考虑水体和结构耦合作用的三维数值模型,研究了弧形钢闸门地震动力响应,然后利用重力坝-库水流固耦合模型验证了计算方法的准确性和有效性,最后对弧形钢闸门进行动力时程响应分析,计算了弧门地震动水压力,并与规范方法进行对比。结果表明:本文提出的考虑流固耦合效应的动力响应分析方法适用于闸门地震动力响应计算;流固耦合效应对弧形钢闸门地震动力响应影响较大,考虑流固耦合效应的闸门动力响应计算结果比规范明显增大,两者最大比值达到2倍以上。闸门结构动位移响应峰值在闸门面板顶部中心,动应力响应峰值发生在下主横梁跨中;流固耦合的动力计算表明该闸门结构刚度满足规范要求,强度不能满足,上、下主横梁处为结构动力响应薄弱环节;对高水头采用规范法计算的地震动水压力偏大,对低水头动水压力计算结果偏小。考虑流固耦合的闸门结构动力响应分析研究能反映其真实力学特征,对于地震高发区弧形钢闸门的结构设计和安全评价具有参考意义。     

钢闸门定轮存在锈坑时轮轨接触的有限元分析

定轮与轨道自身的性能以及两者之间的接触对于定轮式平面闸门支承系统的承载能力有直接影响。为了研究定轮上锈坑的存在对轮轨接触的安全适用性、耐用性的影响,以某电站高压事故闸门为例,采用ABAQUS对定轮存在锈坑时的轮轨接触进行了有限元分析。将锈坑分为不同半径和不同深度两种工况,从应力与变形两方面进行对比分析。结果表明:当锈坑深度相同时,接触椭圆的面积随着锈坑半径的增大而增大,但增幅很小,最大等效应力与最大剪应力均随锈坑半径的增大呈递增趋势;当锈坑半径相同时,深度对等效应力的影响较小,对剪应力及其位置的影响较大。     

考虑流固耦合效应的漂浮物撞击平面钢闸门的研究

针对平面钢闸门结构受力复杂,运行中受到水压力容易引起剧烈的振动并常伴有漂浮物撞击,这些因素容易导致闸门结构失稳而发生破坏。以某水库泄洪闸为例,考虑流固耦合效应影响,借助有限元软件ＡＢＡＱＵＳ建立水流场－闸门－漂浮物模型,研究了水流与闸门间流激振动和漂浮物撞击对平面钢闸门开启时变形和动态响应的影响,得到平面钢闸门在正常泄流和伴有漂浮物撞击下闸门泄流两种不同工况下流场流速、动水压力、闸门面板的应力、位移变化情况。结果表明:漂浮撞击下的闸门面板的应力应变均存在不同程度增加,在闸门与水流的流固耦合面中部,存在大面积应力集中现象,其数值接近应力峰值,使得闸门安全运行存在较大的隐患。