基于ANSYS的弧形闸门三维有限元分析(2)

　　面板的最大等效应力为136.63MPa，在纵梁1与面板下部连接处。因纵梁1的厚度较大且处于对称位置，对面板的支撑作用较强。横梁的最大等效应力为108.54MPa，在横梁Ⅲ腹板和翼缘的连接位置。以横梁的腹板和翼缘连接位置为X轴，从对称面到端面，以其等效应力值为Y轴，绘制应力变化图，如图7所示。在与支臂连接处，相对刚度较大，应力增大，最大增幅约125%，其他位置变化平缓。纵梁的最大等效应力为114.28MPa，在腹板和翼缘连接部位。在与横梁连接处，应力出现增大，最大增幅约85%，其他位置应力变化平缓。支臂构件中，由于线性水压的作用，下支臂应力较大，上支臂和腹杆应力较小。分别选取下支臂箱型截面上4个角点为原点，以下支臂长度方向为X轴方向，以其等效应力值作为Y轴，绘制应力变化圖，如图8所示。在下支臂与横梁连接的端面，出现应力集中，角点应力增幅较大。支臂上表面与腹杆连接处，相对刚度较大，应力局部增加。

　　2.5屈曲分析

　　弧形闸门是空间薄壁结构且以承压为主。对国内外闸门失事的调查分析表明，其主要的破坏特征为支臂失稳发生弯扭破坏，因此屈曲分析是必要的[8，9]。屈曲分析是求解结构从稳定到失稳时临界载荷的方法，分为线性屈曲分析和非线性屈曲分析。线性屈曲分析基于线弹性的假设，忽略了非线性因素，是基本的屈曲分析[10]。为了简化计算过程，本文选择线性屈曲的方法进行分析。

　　屈曲因子如表2所示，闸门所受载荷增至6.03，首次出现屈曲，纵梁2发生局部失稳。观察前6阶屈曲模态形状，主要是发生在门体结构中的纵梁的局部屈曲，没有引起支臂屈曲或整体屈曲，箱型支臂的稳定性较好。在荷载增加至6.03前，闸门的稳定性满足设计要求，未发生屈曲破坏。

　　3结论

　　本文结合工程实例，基于有限元软件ANSYS建立了计算模型，计算了闸门的支铰反力、变形、应力及屈曲失稳情况，分析了潜孔弧形闸门的静力特性，得出以下结论。

　　①弧形闸门在静态挡水和瞬间开启工况下的变形、应力、稳定性符合规范设计要求，瞬间开启是闸门工作的不利工况。

　　②瞬间开启工况下，弧形闸门的最大变形在面板下部区格中心，向内凹陷；最大等效应力在下支臂与横梁连接处，腹板和翼缘连接位置。

　　③在闸门各部分的连接处，容易出现应力集中的情况，在设计过程中应采取适当的加固措施，减小应力增加，如圆角过渡、增设加劲板、提高焊缝质量等。

　　④屈曲分析中，箱型支臂的稳定性较好，纵梁易发生局部失稳。线性屈曲分析忽略了闸门各种非线性因素，应进一步采用非线性屈曲的方法分析校核。

　　作者：王旭升

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