拱形闸门流激振动特性分析.pdf

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1、水利水电技术第45卷2014年第7期拱形闸门流激振动特性分析韩云鹏，高学平(天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津300072)摘要：针对某拱形闸门的流激振动问题，结合水弹模型试验结果，利用ANSYS软件对闸门不同工况下的流激振动特性进行了数值模拟研究，得到了闸门不同：r-ST应力和位移数据，计算结果同模型试验成果吻合较好。同时，对拱形闸门的安全进行了分析，并提出了相应的建议。关键词：拱形闸门；应力；位移；有限元模型；流激振动中图分类号：TK34文献标识码：A文章编号：1000·0860(2014)07—0064-0

2、4AnalysisOilcharacteristicsofflow-inducedvibrationofarchgateHANYunpeng，GAOXueping(StateKeyLaboratoryofHydraulicEngineefingSimulationandSafety，TianjinUniversity，Tianjin300072，China)Abstract：Aimingattheproblemfromtheflow-inducedvibrationofanarchgate，anumericalsimulat

3、ionismadeonthecharac—teristicsoftheflow—inducedvibrationofthegateundervariousoperationconditionswithANSYS，andthentherelevantdataofthestressanddisplacementofthegateareobtmned；fromwhichthecalculationresultisbettercoincidedwiththatfromthemodeltest．Meanwhile．thesafetyo

4、fthegateisanalyzedandthecorrespondingsuggestionsareputforwardaswell．Keywords：archgate；stress；displacement；finiteelementmodel；flow—inducedvibration拱形闸门是一种新型圆弧形三铰拱结构闸门，它的特点是在闸门过流时能够通过调节闸门上活动门叶开度，形成类似瀑布的水流，有较好的景观效果。但这种闸门通常跨度较大且为轻型壳体结构，在水流作用下变形较大，底部过流易引发闸门振动，发生破坏。国内外的闸

5、门研究大多针对平板或弧形闸门的流激振动问题，对于拱形闸门的研究很少。章继光uJ结合国内部分闸门原型观测数据分析了闸门振动破坏的主要原因；MostafizR．Chowdhury等口1利用模型试验分析了平板闸门的动力特性；杨敏等∞J、刘海浪等H1分别研究了平板闸门流激振动的激励机理；李火坤等¨1利用数值模拟结合水弹性模型试验的方法研究了弧形闸门的流激振动特性；潘树军等∞o利用数值模拟和物理模型试验结合的方法研究了平板闸门的流激振动特性，许兴武【『7J对南京秦淮河拱形闸门的应力变形及振动进行了原形观测，获得了宝贵的数据。本文利用A

6、NSYS软件对某拱形闸门流激振动特性进行模拟分析，计算了各工况下闸门应力和位移，同时分析了闸门安全，提出了避免闸门振动破坏的建议。1闸门结构及运行方式某控制闸采用半圆拱形闸门形式，闸门内缘半径12．4in，外缘半径13．6in，中心采用弱化的虚铰方式连接，圆拱两端通过可绕水平轴转动的支铰支承在闸墩上。闸门顶部沿圆弧方向设有高0．5in的可升降活动门叶，使闸门中部高度可在2．8—3．3111之间调节，进而调节闸上水位。闸门局部开启时以闸门同水平面夹角为闸门开度。上游侧水深3．00in，下游侧无水时，局部开启闸门泄流或仅开启活动

7、门叶泄流。上游侧水深3．26in，下游侧水深2．62In时，局部开启闸门泄流。收稿日期：2013—08—07作者简介：韩云鹏(1987一)，男，博士研究生。WaterResourcesandHydropowerEngineeringV01．45No．72模型建立及计算2．1模型建立闸门由Q235钢板制成，材料弹性模量E=210GPa，泊松比Pr=0．3，容重7800kN／m3。闸门面板为薄壁壳体结构，纵横梁、肋板、腹板等由厚度不等的板壳结构组合而成。采用三维板壳单元(Shell63)对闸门面板、梁格以及吊臂进行模拟，活动门叶

8、的启闭固定杆则采用三维实体单元(Solid45)，附加质量采用质量单元(Mass21)。共划分节点22048个，单元23283个，模型如图1所示，】，方向为水流方向。图1拱形闸门模型在闸门上游面板选定数据典型点如图2所示，典型点沿闸门竖向分为四层，距闸门底缘高度分别为3．1m、2．1m、1