弧形闸门有限元分析及流激振动模型试验

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1、弧形闸门有限元分析及流激振动模型试验薛小香张文远（中国水利水电科学研究院水力学研究所，北京，１０００３８，ｘｕｅｘｘ９９０１２６．ｃ伽）摘要：蒲石河抽水蓄能电站泄洪排沙闸弧形工作闸门的尺寸、设计泄水和单宽流量均较大，有局部开启要求，且弧门下游水位高，在局部开启时弧门后产生水跃，有可能引起弧门振动。本文对蒲石河抽水蓄能电站泄洪排砂闸弧形闸门静力特性及流激振动问题进行了系统深入的研究。对两支臂结构弧门、三支臂结构弧门以及修改后三支臂结构弧门的静力特性进行了有限元分析，比较了三种方案弧门的位移及应力分布：对修改后三支臂结构弧门的固有动力特性进行了有限元模态分析，并建立了

2、１：２０修改后三支臂结构弧门水弹性相似模型，进行了试验模态测试，试验结果与有限元结果基本吻合；建立了ｈ２０修改后三支臂弧门水力相似模型，测试结果表明，作用在弧门上的脉动压力均方根值都不大；在局部开启和连续开启运行条件下，利用水弹性相似模型测试了弧门主要构件上的动应力、加速度及振动位移，测试结果表明，弧门的动应力及振动加速度均在允许范围内。关键词：弧形闸门有限元模态分析脉动压力流激振动１前言弧形闸门是水工建筑物中运用最广的门形之一，但有不少弧门在运行过程中发生强烈振动，特别是中低水头大跨度弧门。蒲石河抽水———————————————————————————————

3、————————————————蓄能电站泄洪排沙闸弧形工作ｆ嗣ｌ＇３的尺寸、设计泄量和单宽流量均较大，有局部开启运行要求，且弧门下游水位高，在局部开启时弧门后产生水跃，有可能引起弧门振动，因此本文对蒲石河抽水蓄能电站泄洪排砂闸弧形闸门静力特性及流激振动特性进行了系统深入的研究。２弧形闸门静力有限元分析根据设计图纸建立了两支臂结构（见图１）、三支臂结构、修改后三支臂结构弧形闸门（见图２）的有限元模型，其中修改后三支臂结构弧门主要针对三支壁结构弧门计算结果的薄弱部分的板材进行了加厚及局部细化修改。对不同结构型式弧门的有限元模型按表ｌ中所列的三组可能荷载及约束情况进行了

4、计算分析。图３～图５给出了工况１时两支臂、三支臂、修改后三支臂弧门整体的位移及应力等色图。计算结果表明：正常水位水压力（工况１）、正常水位水压力与启闭力（工况２）、正常水位水压力与温度荷载（工况３）三组计算工况下，两支臂弧门的整体位移最大值为３３．２２珊，三支臂弧门的整体位移最大值为３３．０２衄，修改后三支臂弧门的整体位移最大值为３０．６９ｍ。三种结构型式弧门整体及各构件的Ｍｉｓｅｓ应力全部满足（Ｔｋ利水电工程钢闸门设计规范》ＤＬ／Ｔ５０３９－９５的要求，且具有一定的安全余度，但是修改后的三支臂结构弧门应力水平最小，结构的变形和应力分布也更加均匀，是三种结构型式弧

5、门中较好的—种，并对其进行进—步的动力分析和试验研究。图１两支臂弧门有限元模型示意图图２修改后三支臂弧门有限元网格图———————————————————————————————————————————————兰三｜｜｜～（ａ）台位移（ｂ）Ｍｉｓｅｓ应力图３两支臂弧门台位移和应力等色图（工况１：水压力）（位移：ｍ．应力：一。一～ｌ；■捌■～（ａ）台位移（ｂ）Ｍｉｓｅｓ应力图４三支臂弧门台位移和应力等色圈（工况ｌ：水压力）（位移：ｍ．应力：Ｐａ）蜕够圈（ａ）台位移（ｂ）Ｍｉｓｅｓ应力图５修改后们三支臂弧门台位移和应力等色图（工况１：水压力）（位移：ｍ，应力：Ｐａ）表

6、ｌ蒲石河弧形工作闸门静力计算工况计算工况闸门荷载正常水位荷载约束情况面板施加支铰中心圆柱面轴向和径向约束一＋面板底缘竖向约束点铰中心四柱面轴向和径向约束面扳正常水位荷载一＋吊点启Ｉｉｆ力＋面板蛳切向约柬＋面板Ｊ彘缘竖向约束面板正常水位荷载。支铰中心圆柱面轴向和径向约束＋温度荷载３弧形闸门固有动力特性分析根据静力分析结果．建立了修改后三支臂弧仃的流同耦台有限元———————————————————————————————————————————————模型（见圈６）．对其进行ＴＴ＇－考虑流体影响的“干”模态分析和考虑流体影响的“湿”模态分析，，｝制作了１：２０修改后

7、三支臂弧门水弹性相似模型（见照片１）．进行了试验模态测试。将有限元模型训算结粜与试验模态结果进行了比较分析（见表２）ｔ由衷２可以得出试验模志分析结果的两阶频率值（２３１Ｈｚ、３ｇＴＨｚ）和振型与有限元法计算的弧门“干”模态前两阶成粜基本吻合，这表明弧门有限元模型具有足够的精度，同时也说明所研制的水弹性相似模型性能良好，两种模型都能较好横拟弧门的动力特性。圈７～圈９给出了弧门前２阶试验模态及有限元计算的干、湿模态振型图。企（ａ）弧形闸门单元（ｂ）水库单元图６弧形闸门漉圃耦台有限元同｝２｝剖分母照片ｌＩ：２０弧形闸门水弹性模型照片２Ｉ：２０弧形闸门水力相似模塑表２蒲石

8、河排沙闸弧