Solidworks在钢闸门有限元分析中的应用探讨

王慧斌，樊雪钰

推广应用

(1.黑龙江省七台河水务局，黑龙江 七台河 154600；2.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)



Solidworks在钢闸门有限元分析中的应用探讨

王慧斌1，樊雪钰2

推广应用

(1.黑龙江省七台河水务局，黑龙江 七台河 154600；2.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

摘要：钢闸门是挡水与泄水建筑物的重要组成部分，钢闸门的安全与否直接关系到水库下游群众的生命财产安全；由于钢闸门是空间结构，很难实现手算，因此传统的计算方法一贯是将钢闸门简化为平面结构再进行计算，这种计算方法精度不足。有限单元法作为一种新兴的工具，能够实现较精确的计算分析。文章探讨了如何利用有限元对钢闸门进行建模、静力学分析，并和传统的计算方法行进对比。

关键词：钢闸门；三维；Solidworks;有限元；分析；应用

黑龙江七台河市某水库输水洞，工作闸门孔口尺寸为1.5m×1.8m，底槛高程192.00，设计洪水位195.00，设计水头H=3.0m。闸门采用平面滑动式钢闸门，面板布置在上游侧，单吊点，双主梁结构，梁系采用等高连接。文章拟使用达索Solidworks的有限元分析模块SolidWorks Simulation对此钢闸门进行分析计算，并和按照《水利水电工程钢闸门设计规范》(GB 64—2013)的手算结果进行对比探讨。

1有限元及达索Solidworks三维设计软件简介

作为一种求解偏微分方程数值解的数学方法，有限单元法理论成形并发展于20世纪50—60年代，由于当时理论尚处于成形阶段，计算机的应用尚未普及，这使得有限单元法的应用大大受到限制。从上世纪70年代末起，随着计算机的普及，有限元单元法开始普及，同时也出现了很多大型有限元商业程序。如今，有限元已广泛应用于机械，岩木，桥梁等各个领域。

Solidworks是当今主流的机械设计三维建模软件之一，同时，其集成了Simulation有限元分析模块。和大型商业有限元分析软件ANSYS相比，Solidworks具有强大的建模能力，而Simulation操作简单，易于上手。从实体建模，材料给定，加载边界条件，再到求解均非常方便。

2钢闸门的设计工况和结构参数

钢闸门的面板尺寸为1940mm×1830mm，闸门采用双主梁结构，主梁采用型钢I25a，顶梁采用组合梁，底梁采用型钢I16。在闸门中间设置一道竖直次梁，竖直次梁亦采用型钢I25。闸门的梁系布置尺寸见图1～2。

图1　闸门梁系侧视图

图2　闸门水压力示意图

3钢闸门的传统应力计算

如前所述，钢闸门主要是由面板，边梁，主梁与次梁构成一个空间的受力结构，钢闸门的内力计算与分析按照SL 74《水利水电工程钢闸门设计规范》执行。

闸门所受的水压力图如图3 所示。

3.1主梁荷载的确定

闸门主梁的载荷分配按照“相邻间距之和半法”原则进行确定，即主梁的受荷宽度b为上下梁间距之和的1/2。

图3　闸门梁格布置图

首先计算下主梁的荷载。

下主梁与上下梁系的间距:

b1=400mm，b2=350mm

下主梁的受荷宽度：

B=b1+b2=375mm

下主梁设计水头：

Hs=2.55m

下主梁中心线水压强度：

p=ρgHs=25 kN/m2

下主梁所受线荷载：

q1=pb=9.4kN/m

同理，上主梁的受荷宽度：

上主梁设计水头：

Hs=1.7m

上主梁中心线水压强度：

p=ρgHs=16.7 kN/m2

上主梁所受线荷载：

q2=pb=7.5 kN/m

由此可见，下主梁所受的线荷载比较大，因上下主梁截面相同，只需校核下主梁的内力即可[1]。

3.2主梁的截面特性

主梁采用工字钢I25a，面板参与下主梁梁格抗弯的有效宽度B根据《钢闸门设计规范》可取为B=300。计算截面如图4所示。

主梁的截面特性参数如下：

3.3下主梁验算

主梁的计算长度：l=1.8m

图4　主梁计算截面图

主梁承受均布荷载，最大弯矩发生在主梁跨中截面，其最大弯矩值为：

主梁的跨中最大应力为：

其中钢材的弹性模量取为：E=210Gpa。

3.4面板区格的应力计算

主梁与次梁将面板划分为不同的区格，面板区格中间的应力值为最大，区格的应力可按照弹性理论薄板计算公式求得，即：

(1)

式中:a为区格短边长度；p为区格中性线水压力强度；δ为面板厚度；k为弹性壁板弯曲应力系数，可查阅《钢闸门设计规范》[2]。

通过计算，可得到面板区格最大应力值，如图5所示。

图5　面板区格最大应力

4钢闸门solidworks有限元分析

4.1钢闸门建模

钢闸门建模使用达索Solidworks软件完成，建模中需要注意的是，为了提高网格划分的成功率，对于闸门中的次要构件可以予以忽略，譬如主次梁连接处的加劲肋板，止水压板等。建模完成后的闸门模型如图6所示。

图6　钢闸门三维模型

4.2有限元分析前处理

加载Solidworks simulation模块插件，进入solidworks有限元分析界面。Solidwork有限元分析前处理主要包括指定材料，定于夹具，加载外部荷载，网格化。

1)材料指定：闸门材料指定为普通碳钢，其弹性模量E=2.1×1011MPa，泊松比μ=0.3。

2)定义夹具：闸门承受水压力时，通过滑块将力传给闸墩，因此，将滑块接触面定义为固定支座。

3)加载外部荷载：闸门承受的外部荷载为水压力，由于水压力沿高闸门度线形分布，simulation中不能直接加载水压力。因此 ，可通过定义非均匀压力等效为水压力。

4)生成网格：在生成网格中，要注意的是网格密度参数，网格密度参数的设定会对最后的求解精度产生影响，一般说来在一定范围内，网格密度越高，求解精度越好。但网格密度超过一定范围后，对求解精度的影响就非常小了，同时，网格设置过密也意味着计算机计算、分析、求解时间的增加[3]。

网格密度，网格参数和雅克比点的设置均可以先按照系统默认设置。求解之后可再对参数进行微调。生成的网格见图7。

图7　钢闸门网格划分

参数设置完成后即可运行求解，求解结果见图8～9。

图8　闸门应力云图

图9　闸门位移云图

5结果比较

两种计算方式下，钢闸门主要受力构件的计算结果见表1：

表1　闸门主要受力构件计算结果表

6分析与探讨

由表1可见，通过有限元计算的结果比按照SL74—95规范的计算结果偏低。

前面已说过，钢闸门是属于空间结构，钢闸门在挡水时，不仅仅主梁承受水压力，与主梁焊接的水平次梁和竖直次梁同样也参与抗弯。而利用传统的结构力学计算方法，很难精确计算主次梁的应力分布。因此在规范SL 74中，将钢闸门简化为平面结构，钢闸门的计算模型中假设主梁承受全部的水压力，次梁仅仅是参与面板区格划分，同时为了考虑空间结构的受力效应，降低计算误差，将一部分面板视为主梁前翼缘，参与挡水抗弯，面板参与主梁抗弯的长度通过模型试验进行确定。

早在1988年新版《钢结构规范》颁布出台，钢结构的设计计算就开始采用以概率理论为基础的概率极限设计法，但2013年新版《钢闸门设计规范》出台后，所采用的计算方法仍是沿用以前的容许应力设计法，这主要是因为现阶段关于钢闸门的统计数据掌握的太少，需要继续统计和调查的缘故。但是容许应力设计法是一种相当落后的方法，由于不能考虑钢闸门在不同工作条件下的设计工况，因此所求得的应力分布总是偏于保守。通过有限元的计算结果可以看出，由于有限元计算将闸门视为一个整体，因此得到的应力数值偏小，从总的趋势上来看，这个结果有一定的合理性，可以作为设计参考。

由于电算的普及，有限元计算的优势在于，即使是受力体的形状不规则，边界条件较复杂，任然可以对受力体做静力学，动力学，振动的分析。有些受力模型利用传统计算方法会有一些难度，而对模型过度简化有可能会产生较大的计算偏差，利用有限元分析则可以较为容易地解决。同时和其有限元软件相比，Solidworks有限元分析的优势在于建模容易，分析过程易于上手，操作简单，同时提供较为丰富的帮助案例。在钢闸门的设计中，利用Solidwoeks对钢闸门建模并进行静力学，动力学及振动的有限元分析，是一种行之有效的结构设计和验证方法，在水工金属结构设计中可以发挥重要的作用。

参考文献：

[1]中华人民共和国水利部.SL 74—95钢闸门设计规范[S].北京：中国水利水电出版社，2013.

[2]水电站机电设计手册编写组.水电站机电设计手册金属结构(一)[M].北京：中国水利水电出版社，1988：20-70.

[3]二代龙震工作室.Solidworks 2011高级设计[M].北京：清华大学出版社，2011：16-87.

Application of Solidworks in Steel Gate Finite Element Analysis

WANG Hui-bin1and FAN Xue-yu2

(1.Qitaihe Water Affairs Bureau Heilong, Qitaihe 154600, China;2.Heilongjiang Provincial Water Conwervancy & Hydroelectric Power Investigation, Design and Research Institute, Harbin 150080, China)

Abstract：The steel gate is an important composition of water retaining and drainage building, whether the steel gate is safe relates directly to the life and property safety of the mass living at the downstream of the reservoir.Hand computation is difficult to be realized because the steel gate belongs to the spatial structure, the steel gate is always simplified as a planar structure and then calculated in the traditional computation method, and this calculation method is not accurate enough.As a kind of new tool, the limited unit method is capable to achieve more accurate calculation and analysis.The paper discusses how to use finite elements to construct model and conduct statistic analysis for the steel gate and compare with the traditional computation method.

Key words：steel gate; three-dimension; Solidworks; finite element；analysis；application

中图分类号：TV663.4

文献标识码：A

[作者简介]王慧斌(1985-)，男，吉林伊通人，工程师；樊雪钰(1987-)，男，青海西宁人，工程师。

[收稿日期]2015-08-28

文章编号：1007-7596(2016)01-0087-04