（水利水电工程专业论文）撑卧式平板钢闸门静动力特性研究与优化设计.pdf

中文摘要 在水利水电工程中，平面钢闸门是应用最早、最广泛的闸门型式之一。 因其结构简单，制造、安装、维修方便，有互换性等优点，而广泛应用于 水利水电工程的泄水系统、引水发电系统、灌溉系统、航运系统等。 撑卧式平板钢闸门是一种新型的闸门形式，它借助于闸门后被油缸施 加到支撑桁架的推力而撑起，起到拦河蓄水的作用，闸门在开启时是通过 油缸减小推力，桁架沿着设计好的轨道向下游滑动，在一制动装置的作用 下，闸门逐渐倾斜泄水得以实现。整套系统主要有闸门梁系、闸门支铰、 支撑桁架、滑动轨道、制动装置、上支铰、下支铰及止水构成。闸门由钢 面板，型钢主架等构成，门间以止水和连环扣件联系，可以多门一联，采 用同时启闭的要求。各闸门联结处无需修建中墩，与普通钢闸门比较，节 省了部分工程造价，由于闸门支撑桁架的存在，该闸门在设计上允许超出 规范中规定的应变设计等要求，即可以允许较大的变形，因此可以节省钢 材的用量。现在撑卧式钢闸门正处于探索阶段，相关的设计规范还没有出 台，其结构计算等理论也还不太成熟。对于撑卧式钢闸门的研究，探索其 结构型式，对推动小水电事业的发展，具有重要的现实意义。 本文利用有限元分析软件a n s y s 基于a p d l 参数化设计语言的有限 元技术对闸门进行了静力分析和考虑流固耦合效应的不同工况下的动力 特性分析，并在此基础上，利用a n s y s 优化模块，建立了静力优化和动 力优化设计模型，并对一个典型例子进行了计算。算例表明，所建模型合 理，流固耦合对此类闸门的影响很大，并且支撑桁架的尺寸和截面形式对 闸门振动影响明显。最终建立了以闸门体积为目标函数，以基频为约束条 件的撑卧式平板钢闸门动力优化设计模型，得出提高基频能使撑卧式平板 钢闸门免于动水振动而破坏，优化结果有意义。 本文研究结果对于撑卧式平板钢闸门的探索研究有重要的借鉴意义。 关键词：撑卧式有限元静力分析流固耦合a n s y s 动力特性 优化设计 a b s t r a c t t h ep l a n es t e e lg a t ei so n ek i n do fs t e e lg a t e st h em o s te a r l ya n dw i d e l y s t e e lg a t ea p p l i e di nw a t e rp o w e re n g i n e e r i n g t h ep l a n eg a t ei sw i d e l yu s e di n r e l e a s ew a t e rs y s t e m ，g e n e r a t ee l e c t r i c i t ys y s t e m ，i r r i g a t i o ns y s t e ma n ds h i p s y s t e ma n ds oo no w i n gt oi t sf o l l o w i n ga d v a n t a g e s ：i t ss t r u c t u r ei sb r i e f n e s s ； i ti sc o n v e n i e n ti nm a k i n g ，i n s t a l l i n ga n dm a i n t a i n i n g s u p p o r t - h o r i z o n t a lp l a n es t e e lg a t ei san e wt y peo ff l a pg a t e t h eg a t ei s s u p p o r t e db yt h ep r e s s u r eo ft h et r u s sc o m i n gf r o mt h et a n k s w h e nt h eg a t ei s o p e n i n g ，t h ep r e s s u r ei sr e l e a s e ds l o w l y t h et r u s s e ss l i d ed o w n w a r d sa l o n g t h ed e s i g n e do r b i ti no r d e rt ol e a nt h eg a t e t h ew h o l es y s t e mi sc o m p o s e do f g a t e , g a t eh i n g e ，s u p p o r tt r u s s ，s l i d i n gt r a c k ，b r a k ea n dw a t e rs t o p g a t ei s c o m p o s e do ff a c e p l a t ea n db e a ms y s t e m g a t el e a fi sc o n n e c t e db yr u b b e rs e a l a n df a s t e n e r , a n ds e v e r a ll e a f sc a nb el i n k e d t h et w o g a t e sd on o tn e e dt ol i n k b yp i e r , o p e n i n ga n dc l o s i n ga tt h es a m et i m e c o m p a r i n gw i t ht h eo r d i n a r y s t e e lg a t e ，b e c a u s eo ft h et r u s s ，s u p p o r t - h o r i z o n t a lp l a n es t e e lg a t ea l l o w s g r e a t e rd e f o r m a t i o n , a n di th a sf l e x i b i l i t y s ot h ec o n s u m p t i o no fs t e e lc a nb e s a v e d a tp r e s e n t ，t h i st y p eo fg a t ei s a tt h eg r o p i n gs t a g e t h e r ei sn o c o r r e l a t i v ed e s i g ns p e c i f i c a t i o nf o ri ta n dt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o no fi ti sn o t m a t u r ee n o u g h f u r t h e rr e s e a r c ht os u p p o r t - h o r i z o n t a lp l a n es t e e l g a t ei s n e e d e d t h i sp a p e ra n a l y z et h es t a t i cp r o p e r t i e so fp l a n es t e e lg a t e ，a n da n a l y z e t h ed y n a m i cp r o p e r t i e sc o n s i d e r i n gl i q u i d s o l i dc o u p l i n ge f f e c tu n d e rd i f f e r e n t l o a dc a s e , u s i n gs o f t w a r ea n s y sb a s e do na p d l l a n g u a g e o nt h i so p t i m u m m o d a li sf o u n d e da n ds t a t i ca n dd y n a m i co p t i m i z a t i o na r ea n a l y z e du s i n g a n s y sm o d u l a r t h ee x a m p l ea p p e a r st h a tt h em o d e li sr e a s o n a b l ea n dt h e r e s u l ti sf e a s i b l e ，t h ec o n c l u s i o ni st h a tf u i d - s o l i dc o u p l i n gh a v eag r e a te f f e c t o nt h eg a t e , t h es i z e sa n ds e c t i o n so ft h et r u s si n f l u e n c eo b v i o u s l yo ng a t e s v i b r a t i o n a tl a s t ，t h i sp a p e rb u i l dt h ed y n a m i co p t i m i z a t i o nm o d e lr e l yo nt h e v o l u m eo ft h eo b j e c t i v ef u n c t i o na n df u n d a m e n t a lf r e q u e n c yo fc o n s t r a i n t c o n d i t i o n f i n a l l y , i m p r o v i n gf u n d a m e n t a lf r e q u e n c yc a na v o i dv i b r a t i o n e d b a d l yf o rs u p p o r t - h o r i z o n t a lp l a n es t e e lg a t ea n dt h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t sh a v e am a j o rs i g n i f i c a n c e t h ec o n c l u s i o ni nt h ea r t i c l ei s p l a y e d ag u i d i n gr o l ei nt h e s u p p o r t - h o r i z o n t a lp l a n es t e e lg a t e k e y w o r d s ：s u p p o r t - h o r i z o n t a l ；f i n i t ee l e m e n t ；s t a t i cl o a da n a l y z e ；l i q u i d s o l i d c o u p l i n g ；a n s y s ；d y n a m i cp r o p e n y ；o p t i m u md e s i g n 1 1 1 关于学位论文原创性和使用授权的声明 本人所呈交的学位论文，是在导师指导下，独立进行科学 研究所取得的成果。对在论文研究期间给予指导、帮助和做出 重要贡献的个人或集体，均在文中明确说明。本声明的法律责 任由本人承担。 本人完全了解山东农业大学有关保留和使用学位论文的规 定，同意学校保留和按要求向国家有关部门或机构送交论文纸 质本和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东农业大 学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学 位论文，同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录 到中国学位论文全文数据库，并向社会公众提供信息服务。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签 导师签 日 喾 山东农业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 在水利水电工程中，平面钢闸门是应用最早、最广泛的闸门型式， 二十世纪五、六十年代的水利水电枢纽中平面钢闸门应用量很大。平面钢 闸门因其结构简单，制造、安装、维修方便，有互换性等优点，使其广泛 应用于水利水电工程的泄水系统、引水发电系统、灌溉系统、航运系统等， 但也因其缺点如启闭力大、局部开启条件差、需设影响水流的门槽等，特 别是随着高水头水电站及大型水利枢纽的建设，使平面钢闸门的应用受到 了一定的限制，但平面钢闸门仍是必不可少的闸门型式( 事故闸门都是采 用平面钢闸门 ) 。 按照不同的分类原则，平面钢闸门可分为许多种类，主要有( 蔡正 坤，1 9 9 8 ) ： ( 1 ) 根据门叶结构的运移方式可分为：直升式平面闸门；横拉式平面 闸f - j ；升卧式平面闸门；转动式平面闸门；浮沉式平面闸门；横叠式平面 闸门；竖排式平面闸门等。其中直升式平面闸门可分为滑动平面闸门、定 轮平面闸门、链轮平面闸门、串轮平面闸门等；升卧式平面闸门可分为向 上游升卧平面闸门和向下游升卧平面闸门两种；转动式平面闸门可分为绕 竖轴转动的平面闸门( 如船闸中的人字门和一字门) 及绕横轴转动的平面 闸门( 如翻转闸门、舌瓣闸门及盖板闸门) 等。 ( 2 ) 按所承受的水头可分为：低水头平面闸f - j 但 5 0 m ) 等。 ( 3 ) 根据工作性质可分为：动水起闭的工作闸门、动水起闭的事故闸 门、静水起闭的检修闸门等。 ( 4 ) 按闸门设置的部位可分为露顶式和潜孔式两类。 露顶式闸门是设置在开敞式泄水孔口，当闸门关闭孔口挡水时，其门 叶顶部高于挡水水位，并仅设置三边( 两侧和底缘) 止水。 潜孔式闸门是设置在潜没式泄水孔口，当闸门关闭孔口挡水时，其门 叶顶部低于挡水水位，并需设置顶部、两侧和底缘四边止水。 平面钢闸门结构布置的主要内容是：确定闸门上需要设置的构件，每 撑卧式平板钢闸门静动力特性研究与优化设计 种构件需要的数目，以及确定每个构件的所在位置等。结构布置的是否合 理，直接牵涉到能否使闸门达到使用方便，安全耐久，节约材料，构造简 单和便于制造等方面的要求。设计时必须统筹考虑，全面安排，进行优化 设计。 平面钢闸门由活动的门叶结构、门槽的埋固构件和启闭闸门的机械设 备三大部分组成。门叶结构是一种活动的挡水结构，主要由面板、梁格、 联结系等构件组成。 基于以上基本知识，本文研究撑卧式平板钢闸门。在平面钢闸门研究 的基础上，采用了桁架支撑结构。 1 2 研究背景和意义 闸门是水工建筑物的重要组成部分之一。它的作用是封闭水工建筑物 的孔口，并能够按需要全部或局部开启这些孔口，可靠地调节上下游水位， 以获得防洪、灌溉、引水发电、通航、过木以及排除泥沙、冰块以及其它 飘浮物等效益( 蔡正坤，1 9 8 8 ) 。 水力闸门的建设是与灌溉、发电、供水及河流航运系统的发展紧密联 系在一起的。在早期的水利工程中，通过小坝蓄水并输送到旁边的灌溉渠 道中，过量的水通过坝顶排放。随着进一步发展，修建了“可移动的坝” 闸门。第一座金属闸门出现在1 8 3 0 年左右。进入新世纪以来，出现了各 种各样的闸门，现有的类型也出现了大的发展，但也进一步面临着修建更 大型闸门的挑战。具有代表性的闸门形式有平面闸门、弧形闸门、人字门、 扇形闸门、翻板闸门等。目前工程上修建闸门，闸墩的造价可以占到工 程造价的1 0 左右；在河流地段上修建橡胶坝，橡胶坝的经济挡水高度 一般在3 5 m ，其挡水能力有限，并且其使用寿命有限，一般为2 0 年左 右，而在实际应用中，由于各种原因坝袋不到l o 年就需更换，因此，随 着经济的发展，希望得到一种比橡胶坝更能适应现代水利发展要求的挡水 型式。 撑卧式平板钢闸门在工程上是一种无需修建中墩的挡水闸门，挡水能 力可以研究至l o m 左右，使用寿命较橡胶坝长，采用油缸推动启闭，在 工程上可以节省投资，使用中便于运行管理。利用非线性有限元的方法对 其力学性能进行研究，使其满足水工钢闸门设计规范的要求，结合现 2 山东农业大学硕士学位论文 在使用广泛的平面闸门、弧形闸门的研究情况，着重解决撑卧式平板钢闸 门的静动力稳定性问题。使其在工程上具有一定的推广价值。 撑卧式平板钢闸门的优点主要是( 马思伟，2 0 0 1 ) ：( 1 ) 7 - _ 程造价低廉， 投资低于橡胶坝。( 2 ) 维修保养方便，闸门的支撑部分均在门后，处于无 水状态。( 3 ) 能准确控制水位。( 4 ) 对行洪影响较小。( 5 ) 其它类型的闸门相 比，挡水水位比较高，无需修建中墩，采用同时启闭的要求，并且解决了 闸门突然倾倒瞬时下泄流量形成的溃坝式波浪冲击冲刷问题。( 6 ) 拓宽了 钢闸门的应用范围，可广泛应用于各种拦河闸、冲沙闸、节制闸、进排水 闸、挡潮闸、水库泄洪闸中。应用前景十分广阔。 鉴于上述优点，对撑卧式钢闸门进行研究对于改善钢闸门的结构形 式，推动我国小水电事业的发展，具有重要的现实意义。另外，它还可以 改善城镇环境质量，促进社会生态走向良性循环，若利用撑卧式平板钢闸 门在城区主河道上建造人工湖，排蓄兼顾，可大大改善城区环境质量。现 在撑卧式平板钢闸门正处于试验阶段，相关的设计规范还没有出台，其结 构计算等理论也还不太成熟，仍存在一些问题( 刘学杰，2 0 0 2 ) 。如：( 1 ) 闸门在作业时各构件的受力分析及计算方法；( 2 ) 闸门的应力及变形控制 标准的问题；( 3 ) 闸门梁格及主次梁的优化问题。因此应用现有的先进知 识对其进行理论分析和结构优化，既有理论提高意义，又有实际应用价值。 1 3 闸门研究分析现状 据统计闸门在过去多年的运用历史中，出现了不少事故，有的事故造 成了很大的危害。究其原因，除制造、安装及运行上的原因之外，设计中 出现的问题也不能忽视。 在上世纪六十年代以前设计的闸门，大多是按平面结构体系设计方法 设计的。这种设计方法是按一般结构力学和允许应力方法进行计算的( 水 利电力部，1 9 7 8 ) 。闸门面板直接承受水压力产生局部弯应力，局部弯应 力按四边固支( 或三边固支一边简支) 的弹性薄板理论计算。面板还作为梁 系的一部分参与主( 次) 的整体弯曲工作，将面板的局部弯曲应力与主( 次) 梁的整体弯曲应力按照第四强度理论进行叠加。水平次梁的载荷分配按相 邻间距和之半法进行，再根据构造按连续梁或简支梁进行计算。竖直次梁 承受的载荷有水平次梁传来的集中载荷和面板直接传来的三角形分布载 3 撑卧式平板钢闸门静动力特性研究与优化设计 荷，一般竖直次梁可按悬臂梁或简支梁进行计算。梁系的计算均要考虑面 板兼作梁翼缘的有效宽度。主梁和支臂相连构成刚性承重结构主框 架，主梁和支臂的结构计算按这个主框架进行计算( 郑克红，2 0 0 5 ) 。整个 闸门的结构计算，按实际可能产生的最不利荷载组合情况，对各个构件进 行强度计算、刚度计算和稳定性计算。由此可见，这种按平面体系方法进 行计算和设计的方法是对闸门各部件进行了一定程度的结构简化，把整个 结构体系分割成相互独立的构件，将外荷载按照经验分配给各个构件，然 后再对每个构架按平面受力进行分析，其结构计算只限于在主框架平面内 进行，而平面外的内力或应力的影响却未考虑，所以对于空间效应较强的 钢闸门结构来讲，按平面体系设计方法不能全面正确地反映闸门空间的受 力情况；另一方面，按平面体系方法对结构进行计算时，是将构件逐个独 立地进行计算的，忽略了各构件的整体工作协调性；因此，运用平面设计 方法设计钢闸门，虽然计算图示简便，便于应用，整体上算出的结果也能 达到要求，但不是很精确，不能准确地反映整个闸门各构件间的相互联系 及变形协调关系，误差可能很大。 空间体系计算方法，也称空间有限元法，是随着计算机技术的发展和 有限单元法的出现而出现的一种现代设计方法。按照空间体系理论，在计 算闸门时，将闸门作为一个整体的空间框架体系进行分析计算。在荷载的 作用下，各个构件相互协调、共同作用，因而在计算时不像平面体系那样 将构件逐个独立地进行计算，忽略了各构件的整体工作协调性，而是充分 考虑了闸门作为一空间结构的整体性、空间受力特点及变形特点。在计算 方法上，空间体系计算方法采用了结构力学中的位移法，以节点位移为基 本未知量。首先将整体结构进行单元划分，对每一个单元建立节点平衡方 程，然后将其集合成整个结构的平衡方程组，求出每个节点的位移，再根 据单元应力和节点位移之间的关系，求解出单元应力，最后经过数据处理， 推导出结构内每一个节点处的位移、应力值。运用空间有限元法来计算钢 闸门，可充分体现出闸门较强的空间效应，并能准确地计算出各构件的内 力及应力、变形。因此，用能反映真实情况的空间体系方法对闸门进行设 计计算，不仅可以节省材料、减轻闸f - j 自重，实现对闸门结构的整体优化， 同时也可提高闸门的整体安全度。再者，为了能保证过去按平面体系方法 4 山东农业大学硕士学位论文 设计的己建水上闸门能够安全可靠地运行，运用空间体系方法对这些闸门 计算分析，以便及早发现问题，去除隐患，也是十分必要的。 由于有限元方法计算工作比较繁重，因而不被广泛应用。近年来，有 限单元法配合数字电子计算机的出现，使结构按空间体系分析计算的实现 得到了新的希望。各种大型有限元分析软件的诞生和不断完善，更为进行 复杂空间结构的有限元分析提供了强有力的工具。大型有限元分析软 a n s y s 以其强大的前后处理功能已广泛用于大型空间结构的分析计算。 由于这些软件的运用，不仅大大降低了闸门设计、计算和绘图的工作繁重 程度，提高了工作效益，同时还将大大推进专业技术的发展和更新。 闸门是一个复杂的空间结构，用三维空间有限元法可以全面地反映结 构的整体及各构件工作的相互协调性，可以对荷载与边界条件作出较符合 实际的详细的模拟，其计算结果更加合理。对闸门各参数进行合理的优化 分析是十分必要的，使闸门受力状况得到改善，从而节省材料，节约投资。 结构优化的发展和应用使结构设计达到新的阶段，利用优化方法和电子计 算机，可迅速求出给定条件下的最优设计方案，使设计人员从繁琐的重复 设设计中解放出来，设计速度可大大加快，而且设计质量也可大大提高， 据己有经验，与传统设计方法相比，优化设计可节省工程投资5 2 0 左 右，在经济上可带来很大效益。 对有些闸门，静力设计已不能满足闸门正常工作状态下的要求，需要 对考虑流固耦合效应下的动力特性进行分析，固有频率是结构振动最为重 要的振动特性之一。动荷载作用下的结构设计响应在很大程度上依赖于结 构前几阶固有频率。当动荷载频率接近于结构的某阶固有频率时，结构会 出现振动幅值非常大的过渡振动。特别是在土木工程等结构中，频率约束 的结构优化设计具有重要意义。优化设计中常常需要调整结构基频或前几 阶低频，使之远离动荷载的频率范围，避免发生共振。通过结构动力优化 设计使结构的固有频率远离激振频率带宽不仅可避免共振现象的发生，且 通过优化设计来修改结构的动力特性以抑制或减少结构的振动也是一种 行之有效的振动控制方法。本文动力优化设计部分将以频率约束进行优化 设计。 5 撑卧式平板钢闸门静动力特性研究与优化设计 1 4 平面闸门振动的激励机理 闸门振动是由于动水作用力的不平衡引起的( 阎诗武，1 9 9 2 ；阎诗武， 1 9 9 3 ) 。在外力的作用下，闸门能表现出弹性力、滞阻力和惯性力。如果 外力不是稳定的，而是时间的函数，那么，在闸门结构中除出现弹性力外， 还将出现滞阻力和惯性力，它们都是时间的函数，结构的应力和变形也随 着成为时间的函数，这就是振动现象。所以，只要闸门和动水相接触，总 会出现振动。一般来说，振动是轻微的( 蔡元奇，1 9 9 9 ；杨敏，1 9 9 7 ；阎 诗武，1 9 9 5 ) 。然而，如果外界动荷载和闸门自身动力特性的组合符合某 些条件，比如外力的激荡频率接近或等于闸门结构的自振频率( 不管激荡 频率是外力固有的还是由于结构与水流间发生反馈作用而衍生出来的) 那 么振幅将越来越大，以致闸门结构中出现不平常的应力和变形，造成破坏 事故。 k o l k m a n 和v r i j e r ( k o lk m a np a ，1 9 7 7 ；v r i 厄ra ，1 9 8 0 ) 阐述 了闸门垂向振动的流体惯性模式，认为在闸门振动过程中，闸孔有效过水 面积的变化导致了流量的脉动，而流量的脉动及其惯性效应在孔口局部产 生压力差的变化可能加剧闸门的振动；j o n g l i n g ( j o n g e l i n gth d ，1 9 8 7 ) 教授详细研究了平底闸门发生白激振动的条件，认为自激振动除与闸门的 开度比有关外，还与闸门的折减速度有关，并发现4 5 。或6 0 0 倾角的平面 闸门底缘有利于防止自激闸门的振动；t h a n g 等( t h a n gnd ，1 9 8 6 ) 研 究了下泄水流对闸门竖向振动的作用，认为振动与闸门几何尺寸、水流动 力及系统的动力特性特征有关，并有试验表明，闸门仅在一个小范围内发 生强烈振动，其他范围内的振动幅度很小；董淑芳( 董淑芳，1 9 9 8 ) 认为 平面闸门振动主要是由水跃表层大尺度涡旋，即表层旋滚，上下摆动往复 撞击闸门，从而诱发闸门共振引起的。平面闸门是一个较为复杂的空间结 构体系，闸门振动现象比较复杂，以及对水流动力作用的性质和机理尚未 完全掌握，因此，平面闸门振动问题的研究仍处于探索阶段。 1 5 本文的主要工作 撑卧式平板钢闸门，作为一种新型的闸门型式，应用于我国小水电事 业的发展，代替了在贫困地区修建橡胶坝等造价比较高的工程的必要。它 的普及推广将为我国的小水电事业做贡献。现在正处于探索阶段，许多理 6 山东农业大学硕士学位论文 论有待完善，故应用现有先进的知识对其进行理论分析和研究具有重大意 义。本文来源于山东省科技发展计划，项目名称：撑卧式平板钢闸门水坝， 项目编号为2 0 0 6 g g 2 2 0 8 0 0 3 。以烟台天圣橡胶坝集团有限公司提出的闸 门型式，根据设计部门提供的设计方案，在现有研究成果的基础上对其进 一步研究，主要致力于以下工作： ( 1 ) 在阅读大量文献资料的基础上，综述撑卧式平板钢闸门的工作原理和 基本平衡方程，详细分析钢闸门的受力和泄流能力。 ( 2 ) 根据水工钢闸门设计规范和有限元计算理论( 安徽省水利局勘测设 计院，1 9 8 0 ) ，应用a n s y s 的参数化设计语言( a p d l ) 进行编程，对不 同工况下的闸门进行了三维有限元分析。详细分析了闸门各构件的应力、 应变规律。研究了闸门的强度和刚度，得到了一组合理的分析成果。 ( 3 ) 根据本文提出的方法对撑卧式平板钢闸门进行动力特性计算，研究了 闸门在不同水位下的自振频率和振动规律。 ( 4 ) 针对平板闸门流激振动控制研究现状，运用a n s y s 中的随即振动理 论，对水流脉动压力进行模拟，并对流激振动反应进行分析。 ( 5 ) 建立了以闸门体积为目标函数，以基频为约束条件的撑卧式平板钢闸 门动力优化设计模型，通过算例，得出了一些有益的结论，为此类闸门的 进一步研究奠定了基础。 7 撑卧式平板钢闸门静动力特性研究与优化设计 2 撑卧式平板钢闸门的工作原理和流量计算 2 1 撑卧式平板钢闸门的工作原理 撑卧式平板钢闸门是利用力矩平衡的原理进行工作的，其工作状态同 样可分为静态和动态两种。所谓静态，是指钢闸门在某一开度静止不动， 作用在门上的各个力构成一静定平衡力系的状态。钢闸门处于静态时，闸 门的上、下游水位稳定不变，且过闸的流量为常量。当水位不满足需要时， 闸门的开度就需要随着需求而改变。闸门根据实际需求而改变。闸门根据 实际需求从某一开度过渡到另一开度的过程，称之为撑卧式闸门的动态过 程。处于动态过程中运动着的撑卧式钢闸门，作用在门上的各个力是变化 的，而且是不平衡的。 根据闸门在静态工作时门上各个力的大小和它们之间的相互平衡关 系来分析闸门的工作状态，称之为撑卧式钢闸门的静态工作原理。根据撑 卧式钢闸门在运动过程中所受的力和这些力在运动过程中的变化，来分析 撑卧式钢闸门在运动过程中的工作状态，称之为撑卧式钢闸门的动态工作 原理( 侯石华，2 0 0 4 ；曲锋，2 0 0 5 ) 。相关闸门资料得出，一个性能良好 的撑卧式钢闸门不但要求在静态工作时门上作用力要互相平衡，而且在动 态工作中也要保证撑卧式钢闸门能平稳地从一个静止状态过渡到另一个 静止状态，避免“拍打”等对闸门不利的现象。 撑卧式平板钢闸门在启闭过程中，门叶完全由门后的桁架结构支撑， 绕支铰转动，桁架结构又是有油缸推动。当上游水位升高时，上游水压力 增大，门叶产生向下游倾倒的力矩使闸门开启。若此时不必开启闸门，则 加大了支撑桁架的受力既可保持平衡；反之，若需要增大闸门的开度，则 需降低油缸推力，使桁架向下游滑动，最终闸门停留在需要开度，桁架则 停留在机械制动装置的固定部位。当上游水位回落后，同样通过控制油缸 推动桁架上行使闸门关闭。因而，闸门能够稳定于某一开度或某一特定位 置，闸门的开度能平稳的随水位的变化而变化。 8 山东农业大学硕士学位论文 2 2 撑卧式平板钢闸门的正常挡水受力情况 ? 二立二二；：? 一_ ：_ 善毫一主：0 i ；誓_ ：一：- 。j o ：；：；：j ：、i ；：。： ：i ：! ： ：。： 。 置：；! | ： j 一夸i ! 。： ：1 ：誓 ji ：j 一! ： ：* j _ ： 囊誊= - o | ：= ；：；： 曩尊i i i 囊：。 ：j i ： ：麓j 图2 1 撑卧式平板钢闸门受力示意图 f i g 2 1f o r c e o f t h es u p p o r t - h o r i z o n t a lp l a n es t e e lg a t e 撑卧式平板钢闸门所受的力有：门重g ，门叶上游面、下游面水压 nn 力1 上、r 下，门后桁架的支撑力n ，以及门铰对闸门的约束力e 、f ，如 图2 1 所示。按照作用于闸门上的各力相对于转轴的合力矩平衡原理进行 分析，撑卧式闸门应能在保证在预定的水位条件下保持平衡。见图2 1 2 2 1 基本平衡方程 当门叶在某一开度0 ， 妊0 ，即： 一 b i j ： 支撑与闸门成口处于平衡状态时，其平衡方程为： ( 丘一尸下) c o s 0 一n c o s ( 口一p ) + e = o 卜0 ，即： ( p 上一斥) s i n o + g n s i n ( a p ) 一弓= 0 各作用力对门铰的力矩m = o ，即： p 上t + g h 。s i n 0 一p 下咋一n s i n a ，= 0 式中：尸上、p 下门叶上游面和下游面所受的水压力合力； 门后桁架结构对门叶的支撑力； q ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 撑卧式平板钢闸门静动力特性研究与优化设计 g 门叶自重： h 。闸门重心到底支铰处的距离； h 一门叶的高度； o 咋、，上、下游水压力以及支撑力对门铰的力臂。 2 2 2 闸门受力及其力矩计算 l 、上游面水压力匕 ( 1 ) 当上游水位坐标z l 不高于门叶顶缘坐标z 时( z l z ) 在这种情况下，闸门处于挡水状态，一般要求闸门开度为2 0 0 ，即9 = 2 0 。 此时计算比较简单，由水力学公式可知： p p = 一1 p ( h c o s o ) 2 b ( 2 - 4 ) 一 z j 。= 二( h c o s 们( 2 5 ) 一 3 其中h 为上游水深( 办日) ，b 为闸门宽度。 ( 2 ) 当上游水位坐标z l 高于门叶顶缘坐标z 时( z l z ) 在这种情况下，闸门顶部过水，闸门处于泄流状态，见图2 2 。 丘= 去r ( 2 h h * c o s 9 ) h b ( 2 “) ，一【3 h 一2 日c o s 0 h 力臂t 一可不丽( 2 _ 7 ) 其中h 为上游水深，日为闸门高度，b 为闸门宽度。 ：!：；： ：、 ：= 1；： f 图2 2f - 1 顶过水示意图 f i g 2 2d i s c h a r g ea tt h eo fg a t e 1 0 山东农业大学硕士学位论文 2 、下游面水压力咋 ( 1 ) 当下游水位坐标z 2 小于闸门底缘坐标z o 时( z 2 z o ) 时 此时，闸门下游面不受水压力作用，故p 下= o 。 ( 2 ) 当下游水位坐标z 2 大于闸门地缘点坐标z o 小于闸门顶缘点坐标z ( 即： z o ，z 2 ，z ) 时 、斥= 。z - z 。) 2 去b ( 2 8 ) 咋= 吉。( z 。- z 0 ) 去( 2 - - 9 ) ( 3 ) 当下游水位坐标z 2 大于闸门顶缘点坐标z ( 即：z p z ) 时 此时，闸门处于淹没状态，不再起挡水作用，一般接近于全开状态， 闸门对泄流不起控制作用，该情况常出现在洪水期，如图2 3 所示。 图2 3 闸门淹没状态示意图 f i g 2 3t h e c h a r to f t h es u b m e r g e d g a t e 闸门上下游面板各点的淹没水深基本相等，因而上下游水压力大小相 等，但方向相反，二者作用的合力为零。故在进行力系平衡计算时，不再 需要考虑上下游水压力作用，只需考虑闸门自重、桁架支撑力和门铰约束 力的作用。 3 、闸门自重g 。 g = 9 v g( 2 一1 0 ) 4 、支撑桁架支撑力n 由( 2 3 ) 式可得 撑卧式平板钢闸门静动力特性研究与优化设计 ：2(pi_1_l-pvl-f+ghsino)( 2 1 1 ) h s i n 口 5 、门铰对闸门的约束力c 、f ， 、 由式( 2 一1 ) ( 2 3 ) 联立方程组求解得： f xi 2 c 日o s s ( i n z - - 口0 ) ( 丘t 一斥+ g h s i n 伊) 一( p 上一p 下) c 。s p ( 2 一一1 2 ) 弓= ( 丘一p t ) s i n o + g 一警( 尸上，上一斥咋+ g 日s i n 9 ) ( k 1 3 ) 2 3 撑卧式平板钢闸门的泄流能力分析 撑卧式平板钢闸门在运转过程中，闸门面板一般从与水平方向倾斜为 7 0 0 角的全关状态到接近水平的全开状态，转动幅度较大，接近7 0 0 。其水 流从门项通过，水力计算的主要任务是过闸流量的计算。 研究表明，流过堰项的水流型态随堰坎厚度与堰顶水头之比抛而 变，工程上，按6 与日的大小将堰流分薄壁堰、实用堰、宽顶堰。 撑卧式平板钢闸门的过水情况类似于堰流，因此可采用堰流的过流量 公式来计算。对闸门开启过程分析，将闸门过水流态细分三类：薄壁堰流、 实用堰流、宽项堰流。本文只对薄壁堰流和宽顶堰流做简要分析。 当闸门开度较小时，可看作倾斜薄壁堰；当闸门开度较大接近水平时， 可看作宽项堰；开度处于两者之间时为实用堰。具体计算方法如下： 图2 4 闸门出流示意图 f i 9 2 4t h ec h a r to fw a t e rd i s c h a r g e 1 2 山东农业大学硕士学位论文 ( 1 ) 水力学书载公式( 吴持恭，1 9 8 2 ；清华大学水力学教研组，1 9 8 1 ) ： q = m o b , q 侄- g l 3 佗( 2 1 4 ) 式中m 0 为流量系数，可按下列经验公式计算 巴赞公式( b a z i n ，1 8 9 8 年) 呢= ( o 4 0 s + 书 1 + o 5 5 皓 2 c 2 邛， 使用范围为：l = o 0 2 5 n 0 6 m ，堰宽b = o 2 2 o m 及l p l 2 。 雷伯克公式( t h r e h b o c k ，1 9 2 9 年) m o = 0 4 0 3 + 0 0 5 3 专+ t 0 0 0 0 7 ( 2 - - 1 6 ) 使用范围为：l 0 0 2 5 m , 6 = bl p i 2 及卫0 3 m 式中l 为上游堰顶水头，在此为上游水位与门顶之间的距离，即 l = z 1 一z 及只均以米计。 ( 2 ) 湖南大学公式( 叶镇国，1 9 9 4 ) - - 飘b 拉西 ( 2 _ 1 7 ) 式中：q 流量，m 3 s ； 疋一闸门倾斜修正系数，与开度0 有关，在此不与讨论数值问题 堰流流量系数，= o 6 8 5 0 - 0 6 4 2 9 ( 厶h ) ，h 为闸前水头， b 闸门宽，m ； 厶门顶以上水头，1 1 。 2 、闸门泄流能力为实用堰( o 6 7 匹l 2 5 ) 时 实用堰是水利工程中常见的堰型之一。作为档水和泄水建筑物，低堰 常用石料砌成折线型，高的溢流坝一般作成曲线型。 实用堰的水力计算公式 o = 跚，6 2 9 口( 2 1 8 ) 占l 侧收缩系数；仃1 淹没系数；b 为闸门宽度，l 为过闸水头。 3 、闸门开度较大，为淹没出流( 2 5 别l i o ) 时 。 撑卧式平板钢闸门静动力特性研究与优化设计 当闸门开度较大时，闸门的阻水作用并不大，其泄流量可按一般宽顶 堰流流量公式计算，典型流态如图2 5 所示。 z l h 0 ： 一i ? 图2 5i 圃门淹没出流示意图 f i 9 2 5t h ec h a r to fs u b m e r g e dd i s c h a r g e q ：俐6 厨( 2 一1 9 ) 式中：仃淹没系数；m 流量系数； b 堰宽，在此b = b ；h 闸前水头，m 。 2 4 闸门空蚀问题分析 闸门空蚀是由于门叶和门槽使水流流场边界发生突然改变而致。因 此，在理论上，凡是影响边界形状的因素处理不当都可能使闸门空蚀。实 际上程中，闸门产生空蚀通常有以下一些主要原因。 ( 1 ) 闸门总体布置不合理。闸门位置布置不当。如闸门与上游一定距 离主流方向不正交，闸门前断面水流流速、压力分布不均，存在横向流以 及冲击波，门叶与门槽的绕流条件恶化，引起闸门空蚀。 ( 2 ) 闸门底缘形式不合理。底缘形式是闸门空蚀的主要因素之一。闸 门底缘形式显著影响着闸下水流的流态。因此，闸门底缘形式设计不当， 可能使闸门底部引起负压而产生空蚀。如平板闸门采用水平底缘，泄流时 会产生空蚀而造成闸门振动。对于不同流速的水流，千篇一律，采用不合 理的底缘形式，会导致空蚀。 ( 3 ) 门槽体形不合理。众所周知，平板闸门是最常用的门型，由于门 槽段的边界突变，产生局部压力降，极易形成空穴，引起空蚀破坏。如果 门槽尺寸和形状设计不当，门槽内出现局部低压区，发生空穴，导致水流 与门槽边壁分离，就会产生严重的空蚀破坏。 ( 4 ) 通气补气不充分。闸门启闭后，下游有真空问题，并且由于边界 1 4 山东农业大学硕士学位论文 改变可能形成空穴，出现漩涡，同时由于门下射流流态复杂，水流可能卷 吸气体，因此，如果不能及时补气或补气不充分，就会在闸室出现局部或 大范围的负压，造成空蚀，特别是在泄水道、输水道中，门叶、门槽和水 上建筑物将遭到严重的空蚀破坏。 ( 5 ) 闸门止水不良。闸门比水不良，会在局部漏水处产生射流空化， 出现空蚀，门叶、门槽可能造成局部破坏和振动。 ( 6 ) 闸门运行操作不当。闸门运行中，由于管理者不按照管理规程操 作闸门，使闸门较长时间处于易产生空蚀而振动的小开度区域，导致空蚀。 另外，还有其他一些因素，如水中悬移质、推移质对边界表而磨蚀而 诱发空蚀破坏等。 2 5 小结 本章对撑卧式平板钢闸门工作原理的分析为以后各章节的研究奠定 了基础，主要开展了以下工作： ( 1 ) 根据力矩平衡原理分别从静态、动态两方面阐述了撑卧式平板钢闸 门的工作原理。 ( 2 ) 根据撑卧式平板钢闸门的工作原理和受力情况，分析研究了闸门运 动过程中的基本平衡方程，并详细探讨了闸门所受的各力及其力矩的计算 方法和公式。 ( 3 ) 详细分析了闸门的泄流能力，给出了不同的泄流公式。 ( 4 ) 概括说明了闸门空蚀常见的问题。 1 5 撑卧式平板钢闸门静动力特性研究与优化设计 3 钢闸门整体有限元分析和优化设计模型 3 1 钢闸门有限元分析 有限元法( 张燎军，2 0 0 3 ；朱伯芳) 最初是2 0 世纪5 0 年代作为处理 固体力学问题的方法出现的，现已成为数值分析中一种实用而又重要的工 具，许多工程设计领域和科学研究单位几乎都在使用有限元法。在有限元 法里，利用假想的线( 或面) ，把连续介质的内部和边界分割、离散成有限 个数目、有一定大小的子域，这些子域就是有限元。假想的网格将区域进 行分割时就构成了一些离散的结点。这些结点的位置可以在网格分割线上 的任何地方，也可以在网格分割线内的任何地方，但通常是在网格的相交 线( 或相交面) 上。一般说来，单元具有直线边界；如果所研究的区域具有 曲线边界，则在理想化时就会引入几何形状方面的假设解。有限元法实质 上是一种在力学模型上进行近似的数值计算方法。以弹性力学位移法为 例，有限元法一般主要包括以下几个步骤： ( 1 ) 将连续体离散化，即将连续的求解域离散为一组由虚拟的线或面 构成的有限个“单元”的组合体，这样的组合体能解析地模拟或逼进求解区 域。 ( 2 ) 假设上述“单元”由位于单元边界上的结点相互连接在一起，以这些 结点位移，作为基本未知量。 ( 3 ) 利用结点未知量，选择一组插值函数唯一地定义每一个单元内相 应物理场( 位移、应力和应变等) 的分布，即选择单元模式或单元列式。 ( 4 ) 将各种类型的荷载变换为只作用在结点上的等效荷载，建立基本 未知量与等效结点荷载之间的基本方程。 ( 5 ) 求解基本方程，得到基本未知量的解答。 整个求解区域的未知场函数可由各个单元结点上的数值以及插值函 数近似表示。这样一来，在一个问题的有限元分析中，未知场函数的有限 个结点值就成为待求的未知量，从而使一个连续体的无限自由度问题化为 有限自。由度问题。 5 0 多年来，随着电子计算机技术的发展，有限元法的理论和应用都 得到了迅速、持续不断的发展。其应用领域已由弹性力学平面问题扩展到 空间问题、板壳问题；由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动 1 6 山东农业大学硕士学位论文 问题。分析对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等； 从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁问题等连续介质领域。总之， 以各种不同的变分原理为基础的有限元法可以应用于各种连续介质问