某箱型结构弧形闸门自振特性的有限元分析

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弧形闸门振动是-种流激振动。由于闸门结构、边界条件复杂、承压水头高，因此振动机理非常复杂。当闸门开启泄流时，受闸门周围边界条件影响，水流作用于闸门产生脉动压力，当其主频率与闸门自振频率接近时，就会激发共振。

但是由于闸门边界条件复杂，水流的脉动压力不能很好地确定，主要通过现嘲模型试验测定。根据对 29扇闸门的统计 J，有 93%的闸门其水流脉动主频率在 1-20 Hz范围内变化，其中有48.3%在 1～10I-lz之内，超过 20 的很少。在进行闸门动力分析时，许多工作是计算闸门的自振频率，并与水流的脉动频率相比较，以此为依据采用合理的闸门结构，使闸门的自振频率远离水流的脉动主频区，减小闸门振动。当闸门振动时，附近流倡产生流体惯性力、阻尼力、弹性力，并反作用于闸门，使得结构的质量、阻尼、刚度发生变化，从而导致结构振动特性发生变化。其中结构振动引起流场变化而产生的对结构反作用的流体力(附加质量惯性力)对结构振动特性有很大的影响。谢智雄 针对大跨度弧形闸门做了自振分析、常宗滨 做了嫩江北部某弧形闸门的振动分析、王均星 等对龙滩工程中的闸门做了自振分析。但是实际工程中，具有箱型结构主梁和支臂的弧形闸门较少，国内对于此类闸门的自振特性分析研究也鲜有见到。通过ANSYS软件对某工程弧形工作闸门进行有限元建模和模态分析，从而获取闸门自振频率和振型模态特性，-方面是对此类闸门进行动力学分析提供借鉴，另-方面也为此类闸门的安全设计提供保障。

1 闸门简介有限元模型以黑河流域某水库溢洪道弧形工作闸门为背景。该水库主要承担向某市区供水的任务。同时也自行发电，在发电的同时，尾水被利用起来向该市区供水。

弧形闸门设置在溢洪洞出 口，液压启 闭机启闭，闸门高17 m，弧门弧长 17.508 m，支铰中心距底槛高度 9 m，宽12ITI，设计水位 16.6m。

该溢洪 闸门是二 主横梁、双支臂结构 。面板、横梁、纵梁、行走支承及止水等部件共同构成弧形结构。支臂和主横梁用螺栓连接构成刚性主框架。支臂和主横梁为箱型截面的焊接组合梁，嗅梁为轧制工型钢，顶梁为组合 T型钢，底横梁为轧制槽钢，纵向边梁为 T型钢。在靠边墙侧两纵梁处上游侧焊有加强板。吊耳设在下主横梁的两侧。为便于描述，两根主横梁从上到下依次记为1-#2主横梁，7根纵梁从左至右依次记为纵梁#1～#7。

作者简介：刘鹏鹏(1989-)，江苏徐州人，硕士研究生，研究方向为水利水电工程水电站与泵结构。

· 172· htp：∥ZZHD.chinajourna1.net.ca E-mail：ZZHD###chainajourna1.net.cn《机械制造与自动化》· 电气技术与自动化 · 刘鹏鹏，等 ·某箱型结构弧形闸门自振特性的有限元分析3 闸门自振特性闸门自振分析，可在上述静力学分析的基础上分析。

将上述闸门模型重新加载，施加约束，进行模态分析并拓展模态，得出闸门在不同振阶下的频率。工况-：仅铰支处添加约束；工况二：支铰处仅z转角自由，其余自由度均约束，面板靠近底槛处，Y方向约束。工况-结果如表 1所示 ，工况二结果如表 2所示。

表 1 工况-下闸门在不同振阶下的频率阶次 频./rtz第 1阶第2阶第3阶第 4阶第5阶第 6阶O.O29 5l0.055 740.074 9820.099 7270.102 860.12417从闸门变形结果中可以看出，当闸门振动时 ，1阶振动时闸门出现了沿支臂周向的变形位移，2阶和 3阶振动时闸门出现了侧移 ，4阶振动时左支臂支撑杆腹板出现变形；与4阶相同，5阶振动时，右支臂支撑杆腹板变形；6阶振动时，左右支臂撑杆腹板均出现变形。

表 2 工况二下闸门在不同振阶下的频率阶次 频率/Hz第 1阶第2阶第 3阶第4阶第5阶第 6阶0.255 430.256 350.324120.36275O.36413O.442 04从闸门变形结果中可以看出，当闸门振动时，1阶和 2阶振动时，闸门上支撑杆出现了变形；3阶振动时左支臂支撑杆翼缘出现变形 ，后面 3阶振动，闸门整体，包括面板、支臂、上支撑等，都出现了不同程度的变形。

比较两种工况下的振动，明显的可以看出支撑条件不同给闸门振阶带来的影响。在没有底槛竖向支撑的情况，即面板靠近底槛处保留了节点所有的自由度，闸门出现了侧移，但其余各构件的变形很少，或者很局限；添加底槛竖向约束之后，闸门侧移情况消失了，但是各构件在不同振阶的情况下出现了不同情况的变形。在工况二第 6阶振型的情况中，闸门面板、纵梁、支臂以及上支撑，都出现了不同程度的变形。图 4为两种工况下振阶频率的比较。

两种工况震阶频率对比o.4 - - - - - 簪 0.3 - 蘸 0.2 ----- - 0-1 - ， r - ◆- ， 0第1阶l第2阶f第3阶第4阶 第5阶l第6阶i---工况- ～- u十 。 ～～ 0.0295110.0557410.07498i0.0997310.1028610.12417I 工况二 0.254310.2563510.32412i0.3627510.36413[0.4204· 174·从表中可以看出，闸门的频率随振阶的增加出现递增的趋势，频率在 0.255 43-0.44204Hz之间，对于不同闸门来说，闸门自身的振荡频率各有不同，对于之前所做的某些平板门，其振动频率在 4O Hz之间变化，但有些人字闸门，其前 2阶振频均在 1 Hz附近变化，这都属于正常现象。只要闸门自身的振频跟其所在河道水流频率相异，就满足设计要求。对于这-闸门来说，其振频不在水流振频区间(1-20Hz)。

4 结语闸门振动对于闸门的安全评价至关重要。此泄洪洞闸门自重 189t，算是比较大的闸门，因此设计闸门时特意将主梁和支臂腹板设计成箱型结构，以增加强度，满足设计要求。这样的结构造成闸门各构件和整体的稳定性比较好，抗振性能也比较好，自振频率也比较小，很容易避开水流的自振频率。上述两种工况下闸门的振动位移都很小，出现的最大的位移也小于1 mm，因此该溢洪洞工作门偏于安全。但是对于闸门来说，工作时不断的开启和关闭是必不可少的，在运动期间水流的流动也会造成闸门振动，也是闸门振动破坏的主要原因。但是模拟闸门在不同开度下的振动问题，需要牵涉到流固耦合。

- 般做不同开度下闸门振动的问题，有两种方法被广泛的应用：1)附加质量的方法川，即根据 Westergaard公式对模型施加附加质量。当假定水体为不可压缩性流体时，水流的动力作用就相当于在闸门的质量矩阵中加上-个附加质量矩阵。2)流固耦合的方法〃模时，闸门和流体均建成实体，对流体赋值成 fluent属性。而这两种方法里面，第-种方法是常用的方法 ，但是其结果与实际的数值相比有-些偏差。第二种方法的结果精度很高，但是建模的程度和对计算机的要求比较高，考虑到随着计算机计算能力 的高速发展，这种方法将逐步成为主流研究方向。