（水力学及河流动力学专业论文）水工闸门止水结构动力特性与体型优化研究.pdf

f 4 | | i i iii i ii l li l li ii lu i y 17 7 8 3 6 2 s t u d yo nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n ds h a p eo p t i m i z a t i o n o f s e a l i n gs t r u c t u r eo fh y d r a u l i cg a t e d i s s e r t a t i o nf o rm a s t e rd e g r e eo f e n g i n e e r i n g m a s t e rc a n d i d a t e ：0 n gr u n e s p e c i a l t y ：至致鱼业! i q 墨垫鱼i y 曼! 旦y 壁垒堡i q 墨 a d v i s e r ：p r o f e s s o ry a ng e n h u a n a n j i n gh y d r a u l i cr e s e a r c hi n s t i t u t e j u n e2 010 ，n a n j i n gc h i n a 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明： 2 0 1 0 年6 月 南京水利科学研究院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志有权保留本人所送交学位论文的复 印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论 文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊 登) 授权南京水利科学研究院研究生部办理。 论文作者( 签名) 2 0 1 0 年6 月 摘要 随着我国水利水电事业的飞速发展，水工闸门工作水头不断增加，闸门结构 尺寸不断加大，水工闸门的安全问题日益受到工程界的关注。水工闸门自激振动 是一种危害性很大的结构振动现象，也是水利水电工程广泛存在的问题。这种振 动现象往往是由水封漏水或闸门出现较大变形等造成的，其振动强度与闸门结构 的刚度变形、水封材质和安装精度、闸门结构的面板平整度以及闸门工作水头等 有密切的联系，具体体现为闸门结构、水封布置和水力参数等。 本文结合某工程平面闸门顶部p 型止水结构，以止水结构脱离闸门面板发生 自激振动为研究工况，借助a n s y s 软件对止水结构的动力特性进行规律性的探 索研究，取得了以下成果： ( 1 ) 止水结构自振频率值随着止水长度的增大而减小，其降幅随阶次的增 大呈现增大趋势。螺栓紧固力作用使止水结构的自振频率变大，且螺栓紧固力的 施加对止水结构自振频率的影响呈现出阶段性；考虑流固耦合作用的止水结构其 自振频率较无水作用时有所降低，低阶频率降低的幅度相对较大；在满足流场长 度为1 0 倍止水头部挡水高度时，止水结构的频率值基本稳定。 ( 2 ) 在无流场和有流固耦合作用两种计算条件下，对止水结构进行谐响应 分析得出：当外激励力频率在止水结构第一阶基频附近时，止水结构各测点出现 响应峰值，其值随着阻尼的增大而减小；在相同阻尼作用下，有水时止水结构的 位移响应幅值较无水时大。 ( 3 ) 基于a n s y s 优化模块和谐响应分析对压板宽度的优化，最优方案为 压板的宽度取为l 。此优化方案能较大幅度地提高第一阶基频，同时又能较显著 地减小结构在外激励力作用下产生的位移响应，在克服共振、疲劳及其他受迫振 动引起的有害结果方面体现出较强的优越性。 ( 4 ) 基于a n s y s 优化模块和谐响应分析对p 型头部孔半径的优化，最优 方案为止水结构采用实心p 型头部，此时止水结构在外激励力作用下的位移响应 出现显著的减小，克服共振、疲劳及其他受迫振动引起的有害结果方面表现出良 好的优越性。 关键字：闸门止水a n s y s 软件流固耦合自振特性谐响应分析优化设计 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh y d r a u l i cc o n s t r u c t i o n , m a n yh i 曲w a t e r - h e a d 、 l o n g - s p a ng a t e sh a v eb e e nc o n s t r u c t e d , w h i c hi n c r e a s e st h ec o n c e r n so nt h es a f e t yo f h y d r a u l i cg a t e s e l f - e x c i t e d v i b r a t i o no fg a t e si sg r e a t l yd a n g e r o u sw h i c he x i s t s w i d e l yi nh y d r a u l i ce n g i n e e r i n g i ta l w a y sh a p p e n sb e c a u s eo f t h ew a t e rs e a ll e a k a g e o ral a r g e rd e f o r m a t i o n ，a n dt h ev i b r a t i o ni n t e n s i t yh a sac l o s er e l a t i o n s h i pw i t ht h e s t i f f n e s so ft h es t r u c t u r ed e f o r m m i o n o ft h eg a t e ，s e a lm a t e r i a l s ，i n s t a l l a t i o na c c u r a c y , s m o o t h n e s so ft h e g a t ep a n e la n dt h ew o r k i n gh e a d ，o fw h i c ht h e c o n c r e t e e m b o d i m e n ti st h eg a t es t r u c t u r e ，aw a t e rs e a la r r a n g e m e n ta n dh y d r a u l i cp a r a m e t e r s a n s y ss o t h v a r ei sa p p l i e dt oc a r r yo u tf i n i t ee l e m e n ta n a l y s e s ，b a s e do nt h et o p s e a lo fal a r g ew i d t h t o - h e i g h tf i a tg a t e , o nt h ec o n d i t i o nt h a ts e a l i n gs t r u c t u r e s e l f - e x c i t e dv i b r a t i o no c c u r sw h i l et h es e a lg e t sa w a yf r o mt h et h eg a t ep a n e l ，t h e m a i nc o n t e n t si n c l u d e ： ( 1 ) t h en a t u r a lf r e q u e n c i e si n c r e a s ew i t ht h el e n g t ho ft h es e a ld e c r e a s i n g ，a n d d e c r e a s ew h i l et h eo r d e ro ff r e q u e n c yi n c r e a s e s ，d e c r e a s i n ga m p l i t u d ei nai n c r e a s i n g t r e n d ；t h e r ei so v e r a l li n c r e a s e sa st h eb o l tp r e s t r e s si n c r e a s e s ，a n dt i g h tf o r c eo ft h e b o l t so nt h es e a l i n gs t r u c t u r es h o ws t a g ei n f l u e n c eo nt h en a t u r a lf r e q u e n c y ； c o n s i d e r i n g f l u i d s o l i d c o u p l i n ge f f e c t ，t h e n a t u r a l f r e q u e n c i e sd e c r e a s e ，a n d d e c r e a s i n gr a n g eo ft h el o w - o r d e rf r e q u e n c i e si sr e l a t i v e l yl a r g e ，w h i c ho ft h ef i r s t f r e q u e n c yi s9 a r o u n d ；w h i l et h ef l o wl e n g t hi su pt o 10t i m e st h es e a lr e t a i n i n g h e i g h t ，f r e q u e n c i e sk e e pa l m o s tu n c h a n g e d ( 2 ) b a s e do nt h et w oc a l c u l a t i o nc o n d i t i o n so ff l u i d - f l o wc o u p l i n ga n dw i t h o u t w a t e r , h a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i so f t h es e a l i n gs t r u c t u r ei sd o n e t h ec a l c u l a t e d r e s u l t ss h o wt h a t ：t h ea m p l i t u d eo fe a c hm e a s u r e m e n tp o i n to nt h eg a t es e a l a p p r o a c h e si t sm a x i m u m w h e nt h ee x c i t a t i o nf r e q u e n c ya p p r o a c h e st h ef i r s t - o r d e r n a t u r a lf r e q u e n c yo ft h eg a t es e a l ，a n di td e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fd a m p i n g ；w i t h t h es a m ed a m p i n ge f f e c t ，s e a l i n gs t r u c t u r ew i t ht h ef l u i d - s o l i dc o u p l i n ge f f e c ts h o w b i gd i s p l a c e m e n tr e s p o n s ec o m p a r e dt ow i t h o u tw a t e r i i ( 3 ) o p t i m i z a t i o nm o d u l eo fa n s y s s o f t w a r ea n dh a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i s a r ea p p l i e dt oo p t i m i z et h ep r e s s u r ep l a t ew i d t h ，t h eo p t i m i z a t i o ns c h e m e o f t h ep l a t e s w i d t hi sl t h i so p t i m i z a t i o np r o g r a mc a ng r e a t l yi n c r e a s et h ef i r s t - o r d e rf u n d a m e n t a l f r e q u e n c y , w i t has i g n i f i c a n td e c r e a s ei nt h ed i s p l a c e m e n tr e s p o n s ea m p l i t u d eo ft h e s t r u c t u r eu n d e re x t e m a ld r i v i n gf o r c e s ，a n di tt a k e so b v i o u sa d v a n t a g eo no v e r c o m i n g r e s o n a n c e ，f a t i g u e ，a n do t h e rh a r m f u lr e s u l t sb yf o r c e dv i b r a t i o nc a u s e d ( 4 ) o p t i m i z a t i o nm o d u l eo fa n s y ss o f t w a r ea n dh a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i s a r ea p p l i e dt oo p t i m i z ep o r er a d i u so ft h ep - t y p eh e a d t h ep o r er a d i u so ft h ep - t y p e h e a ds m a l l e r , t h es t e a d y s t a t er e s p o n s eo fs e a l i n gs t r u c t u r eu n d e re x t e r n a le x c i t a t i o n f o r c es m a l l e r ，t h eo p t i m i z a t i o ns c h e m eo ft h ep o r er a d i u si ss o l i dp - t y p eh e a d t h i s o p t i m i z a t i o np r o g r a mt a k e so b v i o u sa d v a n t a g eo no v e r c o m i n gr e s o n a n c e ，f a t i g u e ，a n d 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论。1 1 1j ；l 言1 1 2 水工闸门止水破坏实例1 ( 1 ) 宝珠寺水电站高水头深孔弧形闸门双止水型式的运用2 ( 2 ) 大河水库泄洪洞高压工作闸门p 型顶止水破裂的分析处理。3 ( 3 ) 隔河岩下沉式平面闸门漏水量超标的处理4 ( 4 ) 龙门滩三级电站大坝弧形钢闸门项止水的技术改造6 1 3 止水结构自激振动造成水工闸门破坏的工程实例7 ( 1 ) 皎口水库底孔弧形工作闸门的振动问题7 ( 2 ) 米易湾滩水电站泄洪闸振动特征9 ( 3 ) 蒙城船闸上闸首弧形闸门自激振动一1 1 ( 4 ) 水闸顶水封自激振动1 2 1 4 水工闸门止水研究现状及进展1 3 1 5 论文的主要工作及创新点1 5 1 5 1 主要工作15 1 5 2 论文创新点。1 6 1 6 本章小结1 6 第二章闸门止水结构及有限元建模1 8 2 1 引言18 2 2 不同闸门型式下的止水类别18 2 2 1 平面闸门止水18 2 2 1 弧形闸门止水。1 9 2 3 止水的装置分类1 9 2 4 止水结构组成及封水原理2 2 2 4 1 止水结构组成2 2 2 4 2 止水结构封水原理。2 2 2 5 止水结构有限元计算的三重非线性2 3 2 5 1 止水橡胶的材料非线性。2 3 2 5 2 止水橡胶的几何非线性2 3 2 5 3 止水橡胶与钢板的接触非线性。2 4 2 6 止水结构的有限元模型建立2 5 2 6 1 止水结构简介2 5 2 6 2 止水有限元模型构建2 6 2 7 本章小结2 9 第三章止水结构自振特性分析3 0 3 1 引言3 0 3 2 结构固有振动特性分析介绍3 1 3 2 1 结构固有振动特性分析的基本理论3 l 3 2 2 特征值和特征向量的解法3 1 3 3 流固耦合基本理论3 4 3 3 1 液一固耦合自由振动的控制方程3 4 3 3 2 动水压力向量 p ) 的确定，附加质量阵3 4 3 3 3 流固耦合的基本原理3 6 3 4 a n s y s 软件的模态分析介绍3 9 3 5 止水长度对止水结构模态的影响分析3 9 3 6 螺栓紧固力对止水结构模态的影响分析4 2 3 7 流场长度对止水结构模态特性的影响分析4 5 3 8 本章小结4 8 第四章止水结构的谐响应分析4 9 4 1 引言4 9 4 2a n s y s 软件的谐响应分析介绍4 9 4 3 无水时考虑阻尼影响的谐响应分析5 1 4 4 流固耦合作用下考虑阻尼影响的谐响应分析5 6 4 5 本章小结6 l 第五章止水结构的优化设计6 2 5 1 引言6 2 5 2 优化设计的理论基础6 2 5 2 1 优化设计的概念。6 2 5 2 2 优化设计的基本方法6 3 5 2 3 优化设计的约束条件6 3 5 2 4 优化设计的目标函数6 5 5 3a n s y s 软件优化设计介绍6 6 5 3 1a n s y s 软件优化设计基本概念6 6 5 3 2a n s y s 软件优化技术6 6 5 3 3a n s y s 软件优化流程介绍6 7 5 4 压板宽度的优化分析6 8 5 4 1 基于a n s y s 优化模块优化压板宽度6 8 5 4 2 基于a n s y s 谐响应分析程序优化压板宽度7 4 5 4 3 压板宽度优化设计方案确定7 9 5 5p 型头部孔半径的优化设计8 0 5 5 1 基于a n s y s 优化模块优化p 型头部孔半径8 0 5 5 2 基于a n s y s 谐响应分析程序优化p 型头部孔半径8 3 5 5 3p 型头部孔半径优化设计方案确定8 8 5 6 本章小结8 8 第六章结论与展望9 0 参考文献9 3 致谢。9 6 筮= 重绪i 金 第一章绪论 1 1 引言 止水结构系水工闸门重要组成部件之一。随着水工闸门工作水头的不断增 加，闸门结构尺寸的不断加大，对止水结构设计和制造安装提出了更严格的要求。 工程实践表明，相当数量工程的止水效果不良，漏水量有时达到不能容许的程度， 这样不仅浪费了宝贵的水资源，还可能诱发止水的自激振动现象。止水自激振动 产生的简谐作用力，又将以特定的优势频率对闸门结构进行激励。当止水的自激 振动频率与结构的某阶固有频率相一致或接近时，闸门结构就产生共振，其振动 量级将显著增加。由于钢闸门结构的阻尼一般均较小，共振放大因子就很大，这 是许多水工闸门受共振破坏的原因之一。因此，解决止水问题已成为闸门建设的 一个重要环节。 由于此类问题的研究涉及到材料非线性、几何非线性、接触非线性等问题， 常规的试验和线性数值分析难以定量地分析出止水橡皮的特性。以a n s y s 为代 表的有限元分析软件，在结构静力特性分析上具有较强的非线性分析能力，而针 对结构动力特性的研究具有较大的局限性。因此，本文将暂采用线性的方法对存 在非线性问题的止水结构的动力特性进行近似模拟分析，以获得结构动力特性的 规律性特征，为解决工程中止水及其水工结构的安全问题提供一定的帮助。 1 2 水工闸门止水破坏实例 造成水封漏水的原因很多，主要有以下几个方面：在设计过程中，水封结构 型式不合理，布置不科学，选用的水封材料性能不符合要求以及闸f - i n 度过小等； 在安装时水封底板不平直，水封底板与水封偏差过大，安装不牢固，水封接头不 良以及预压量过小等；在长时间的运行过程中，橡胶老化产生的塑性变形而失去 弹性，易产生撕裂和断裂等破坏，以及橡胶水封经长期磨损与水封座之间间隙过 大而导致漏水。以下列举一些典型的止水结构破坏实例以及相应的修改方案。 ( 1 ) 宝珠寺水电站高水头深孔弧形闸门双止水型式的运用 该弧形闸门使用两套止水装置，一套常规止水和一套充水膨胀式框型止水， 前者为辅助装置，后者为主要止水。常规止水的侧、底止水安装在门叶上，项止 水为转铰式。框型止水装置由控制系统、供水保压系统、排水管路和安装在门槽 埋件上的止水装配等组成。框型止水系统原理如图1 1 所示。框型止水的材质为 橡胶，断面形状为“山”型，安装后沿门槽四周形成连续封闭的充水压力腔。止水 断面和装配关系如图1 2 所示。 图1 1 框型止水系统原理图 图1 2 止水断面及装配关系图 2 从试验结果看，在工作压力范围内止水强度足够，影响止水压力腔严密性的 主要因素是压板对止水的压紧程度。在试验中，随着压力的升高止水压板出现了 上翘现象，这正说明压紧程度还不够。 框型止水是靠水封的伸缩来压紧面板，需要更小的动力，机构更简单。由于 是管路连接，相应的动力和控制设备布置灵活，可以安装在环境较好、检修和维 护方便的地方。但是从试验和安装运行的情况来看，它还不是一种很完善的技术， 仍需要在今后的实践中不断地改进。如果能够在止水强度和压板的压紧度上想点 办法，也许就可以在止水和面板间预留间隙而不是压缩量。那么，门叶面板就可 以不加工，止水的磨损也大大好转，闸门的运行情况大为改善。 ( 2 ) 大河水库泄洪洞高压工作闸门p 型顶止水破裂的分析处理 大河水库泄洪洞高压工作闸门分别在两次动水试验中，均出现项止水破裂现 象，根据水封破裂情况，试验人员对水封本身特性、门槽中的门楣及止水座板等 情况进行了现场详细查看和分析。指出其主要原因有：水封强度不够；( d 门 槽e e l 止水座板与门楣焊接件未经加工，凸出的焊点极易划裂水封：( d 门楣严 重锈蚀，造成门楣表面凸凹不平，加大了水封与门楣之间的摩阻力，高水头情况 下也容易划破或撕裂水封；( d 水封2 次破裂的位置，均发生在水封顶部的接口 处，表明水封橡胶之间的连接不牢固。此外，水封结构不合理，螺栓偏小，水封 压板不限位，造成水封多达4 5 m m 变形拉断，以及多个螺栓拉伸拉断现象。 根据水封破裂的主要原因，有针对性地采取了以下主要措施： 提高水封橡胶的强度，更换水封，水封由纯橡胶改为3 层尼龙布橡胶，标号 由防5 0 # 改为防1 0 0 # ，扯断强度为2 0 0 k g c m 2 ： ( d 止水座板与门楣、支承轨道之间的焊缝，均打磨平滑，同时进行防腐处理。 ( d 对于门楣严重锈蚀问题，采取打磨光滑，并进行防腐处理； ( d 顶水封、转角水封及侧水封之间的联接，不采用直线联接或4 5 。斜接，而是 采取整体式压注，做成一个整体，避免水封连接处因连接不好而造成撕裂； 为了更好地防患水封再次破裂，对次要原因也采取了纠正措施，如为避免水 封因过多的伸张、压缩等造成疲劳而产生破裂，在顶水封上方加焊挡板，限制水 封向上拉伸：对水封压板、螺栓等进行设计修改，加厚水封压板( 改为3 2 m m ) ， 加大螺栓( 改为西1 6 m m ) ；在门槽水封止水座板上方安装淋水润滑水源；为解决 门叶局部开启后高压水冲击顶水封造成水封翻滚，在门叶顶水封以下各5 0 0 m m 处设2 道挡板，形成高压水的阻力器，以减少项水封受冲压力等，确保了水封在 运行中不再破裂。水封处理前后的情况如图1 3 所示。 ( 1 ) 煳前的树 勰后昀梢 图1 - 3 止水处理前后对照 ( 3 ) 隔河岩下沉式平面闸门漏水量超标的处理 隔河岩第一级升船机承船厢厢头门为下沉式平面闸门，图1 - 4 为厢头门结构 及止水布置示意图。止水橡皮为多节型p 型橡塑复合止水橡皮，止水座面、止水 工作面均为不锈钢加工面，止水橡皮为正向止水。 4 图1 4 厢头止水布置示意图 p l 、i 鹰 x 】l ，i 摹 = 暇ee 】t ，为接触力列阵； g ) = f g 。g ，g z 】t ，为接 触间隙列阵；蜀= 钰+ d l ( 1 = x , y , z ) ；和q , i 表示物体a 、b 上l 方向上的接触 点位移；，是变形前结点a ，b 间l 方向上的间隙。将式( 2 - 4 ) 代入( 2 - 5 ) 后进 行离散，将得到以结点位移、结点接触力为未知量的平衡方程。 2 6 止水结构的有限元模型建立 2 6 1 止水结构简介 本文研究主体为某大宽高比平面闸门的顶部止水，布置在闸门胸墙基础上， 属常规止水。止水橡胶断面体形采用“p 字型，止水结构由橡胶止水元件、胸墙 座板、上下金属压板、上部辅助压板及闸门面板等构成，止水结构断面型式如图 2 3 所示。该模型的选取旨在研究止水结构脱离门体发生缝隙流时，止水结构自 身的动力特性。目的在于对止水结构的模态特性进行宏观的规律性研究，为今后 止水结构设计提供一定的参考依据。 图2 3 止水结构断面图 板 闸门挡水时，平面闸门向下运动，上部辅助压板向下压紧止水p 型头部，使 水封橡胶头部外伸紧压在闸门面板上，产生一定的压缩量，从而达到止水目的； 闸门开启时，上部辅助压板向上运动，止水p 型头部缩回，离开闸门面板表面， 闸门顺利开启。图2 _ 4 为该工程中止水结构的安装布置图。图中，l 为止水条水 平段宽度，l = 8 0 m m ，r 为p 型头部外圆半径。 2 6 2 止水有限元模型构建 止水橡胶选用s o l i d l 8 7 单元，其单元描述为：3 维1 0 节点四面体实体。具 有二次位移，适用于模拟不规则网格。该元素由1 0 个节点定义，每个节点3 个 自由度：x ，y ，z 方向。该元素具有空间的任何方向。具有塑性、超弹性、应力 强化、徐变、大变形、大应变能力。可用来模拟几乎不能压缩的次弹性材料和完 全不能压缩的超弹性材料的变形。止水结构几何模型图和止水结构有限元模型分 别见图2 4 和图2 5 。 压板、底板和螺栓采用s o l i d 9 2 单元，其单元描述为：3 维1 0 节点四面体结 构实体。具有二次位移，适用于模拟不规则网格。该元素由1 0 个节点定义，每 个节点3 个自由度：x ，y ，z 方向。具有塑性、徐变、膨胀、应力强化、大变形、 大应变能力。 图2 _ 4 止水结构几何模型图 图2 5 止水结构有限元模型图 该模型下部钢压板与底板之间、上下钢压板与止水之间、上压板上表面与各 螺母下表面之间共存在4 个接触对。本文采用刚体柔体的面面接触单元，本文 选用的目标面和接触面单元分别为t a r g e l 7 0 单元和c o n t a l 7 4 单元。 螺栓紧固力的施加是通过在螺母与上压板接触面上施加一个力的作用，在模 态分析之前进行一次静力分析，静力计算时打开大变形求解器和预应力开关，在 接下来的模态分析中也打开预应力选项。具体操作如下图2 7 和图2 8 所示。 2 7 ：_ 一9 矿一1 一一一一一一一”一。一一1 i 盈 b u i c 1t r 1 s o l n0 p t i 1 - 砒i n ”1 扣“i l l1 腿u ”i su p u 毗r i t ei t st o 聃m l t lf i l e i l i r d i s p l t c m e r i ts t t i c - t疗ms o l u t i mi t a m s c a l c u l a t ep r e s t r e s s i f * c t t rb u i eq u n t i t i e s ru s * rs e l e c t d t i m ec m h t r o l ! ?鼍 i t i m ea t * a c to fl o a d s t e p1 0一 j a t m t t i ct i m e s t 唧i n g f r o gc h o s e n 二j 芰上“。女o i 潮一 疗l i m b e ro fs u b s t e p s ，r 呼n c r ： rt i m ei a c r e l e a t l w r i t e v e r ys u b s t p h l b e ro fs u b s t e p s j 1 0 - “n o o fs u b s t e p s 1 0 h e r e 珂= l i i n m o fs u b s t , p s 岫 o k i c a n c e l i h e i p l 图2 7 静力分析操作 6 8 8 f 一”8 一”一”一7 ”一”一7 。”7 1 ”“1 翻 t o d o f t f i e d ee x t r a c t l m e m b e d 疗n o c kl 4 i z z o k r 瞄l 4 1 1 m z o s r r e d m a r 岍e t r i c rd r a p e d r 弧d e m p * d r s 印r 舶“ h 。_ 。_ t r c ! ： 缸s 印c i f j e d 跏nm e t h o d se z c 叩tt h r e d u c e dm , t h o d ) 阻n 期】 e 印m o d es h * p e s 黟t 。- 一h 虮幽哪“ 1 e a l ec d c d “e l mr , s _ d t s ? 广h 啪】v l 1 哪“m i s s 聊o 订 广h 口啷】h 吐l 盱e s t r e s s f “c t l 7 黟t 。_ 竺i! 竺：! i竺! l 图2 8 模态分析操作 2 7 本章小结 近年来水利事业的不断发展促进了止水结构在其型式和材料的不断改良，本 章主要结合闸门常用的平面闸门和弧形闸门这两种型式阐述了止水结构的类型、 基本构造和工作原理。另外，还从止水结构的装置特点对止水进行了分类。止水 的工作属性决定了其材质的特殊性，闸门止水多使用橡胶、聚合物等材料，这些 材料大多属于超弹性材料。这种超弹性材料的有限元计算是一种较复杂的非线性 计算，这种非线性体现在材料非线性、几何非线性和边界非线性三个方面。结合 背景工程，完成止水结构的有限元建模，为后续的研究分析奠定了基础。 第三章止水结构自振特性分析 3 1 引言 止水漏水及泄流过程中因止水形式不良引起的闸门振动问题，时有发生，不 论水头高低或门型如何都出现过较多的实例。对其原因进行研究，得出主要由两 个方面原因，一方面是由于止水密封性不良产生缝隙水流喷射所造成，一方面是 泄流过程中主要是底止水的型式不当产生某种特殊的作用力所引起的。 闸门与输水结构边墙加工安装不够精确，止水结构的预压量不够时，可能引 起某些部位压缩量过大，而另一些部位压缩不够紧密的状态。在高压水的作用下， 后者就可能漏水。解释止水漏水振动的机理如图所示。图3 1 表述了高速射流通 过止水与面板之间狭缝的状况。由于射流在止水头部形成负压而使其吸向面板封 闭了间隙。间隙封闭负压消失，止水又被弹回，间隙又重复出现。这种现象循环 往复出现的结果是止水以一定的频率振动。如果振动的频率与止水结构的自振频 率以及闸门结构的自振频率接近时，就会引起闸门结构的共振，其振动量级会很 大，对泄水建筑物的安全带来严重威胁。 a b 图3 1 缝隙流现象 + 由止水自激振动引发的闸门结构及相关建筑物的强烈振动程度涉及到止水 结构的固有振动特性和缝隙水流特性，控制和避免止水自激振动必须从上述二方 面着手。其中研究止水自身的振动特性，在此基础上进行动态优化，是控制止水 自激振动的主动性措施。 本章重点研究止水结构脱离门体出现缝隙流时的止水结构自身的动力特性， 包括止水长度、螺栓紧固力及流场长度等对止水结构振动模态特性的影响，属于 基础性和规律性研究。 3 2 结构固有振动特性分析介绍 3 2 1 结构固有振动特性分析的基本理论 结构的固有特性指的是固有频率和相应的模态振型。模态分析的实质是计算 结构振动特征方程的特征值和特征向量。 典型的无阻尼结构自由振动的运动方程如下： 【m i x 。) + 【k 】 x = o ) ( 3 1 ) 式中：【m 】为质量矩阵；【k 】为刚度矩阵； x 。) 为加速度向量； x 为位移 向量。 如果令 彳 = 矽) s i n ( 耐+ 缈) ，则有 x - - - - - - ( 0 2 # s i n ( t o t + q ，) ，代入运动方程， 可得： ( 【k 卜国2 【m 】) = o ) ( 3 _ 2 ) 上式( 3 2 ) 为结构振动的特征方程，模态分析就是计算该特征方程的特征 值哆及其对应的特征向量 谚 。 3 2 2 特征值和特征向量的解法 采用有限元数值计算的方法对水工闸门的动力特性进行计算研究，就是用有 限元法解算结构的特征值及特征向量，即结构的自振频率和振型，确定它们的值 是动力分析最基本的内容。根据结构自身的动力特性和流固耦合振动特性不同的 要求，其数值计算方法也有所不同。前者一般采用子空间迭代法，而后者则采用 u n s y m m e t r i c 法( 非对称算法) 。 3 2 2 1 子空间迭代法 大型特征值问题的质量矩阵和刚度矩阵具有较大的带宽，并且结构的动力反 应的自振频率计算主要限制在几个低阶的特征值问题上，注意到这些特点后， 3 l b a t h e 等人提出了“子空间迭代法”，这是目前特征值和特征向量解法中最有效的 方法之一。子空间迭代法的基本思路是将1 1 阶广义特征值问题降为低阶的特征值 问题来求解，求解刀阶特征值问题中前p 阶特征值及特征向量。迭代时大部分 计算工作量是在求解g 阶9 7 【k 】 万) + 万 p j 其中第二式代表动水压力对流体作用面作的功。将t 、u 代入下式一第二 类l a g r a n g e 方程 旦旦一旦+ 旦：0( 3 1 0 ) d ta 万) a 万) a 万) 可得 【m 】 方) + 【k 】 万) = 一 p ) ( 3 i i ) 式( 3 11 ) 就是液一固耦合自由振动方程，它比单个固体振动方程多一个动 水压力向量 p ) 。 3 3 2 动水压力向量 p ) 的确定，附加质量阵 对无粘性不可压缩的微幅流体运动，扰动压强p 满足拉普拉斯方程 垂+ 磐+ 馨：o 西2 。却2 。勿2 。 ( 3 1 2 ) 若弓i 入西( x ，y ，z ，) 为水流扰动速度势，由流体的连续性方程，亦满足拉普 拉斯方程 窘+ 害+ 窘= 。 苏2 却2龙2 而p 及之间的关系为 p p 詈 还必须考虑流体作用面与水接触面等边界条件，如 娑：杰 ( 3 1 5 ) 一= 力 t 一 ， 流体作用面表面法向速度必须与水质点的法向速度相等 罢l = 塑l 一= 警l 2p m 警l 1 0 3 , 一o c 3 。6 ， 一i= 一i= 一l = 仃= -i - ln ， 苏b i ，芦一 瑟b 声。瑟l ，# 远处，水流的扰动速度和扰动压强均应趋近于零。 式( 3 1 2 ) ( 3 1 6 ) 为扰动水压力控制方程组，由其求解知流体作用面与 水接触节点上的动力压力s j - 量_ 只) 可表示为其表面上节点加速度的线性组合，即 弓 = 【驯 t ) ( 3 1 7 ) 式( 3 - 1 1 ) 的 p ) 与 只) 具有不同数量的项次，为此引入列阵之间的转换矩 阵【s 】 p ) = 【s l p ： = 吲【明 0 ) ( 3 - 1 8 ) 再8 1 a , a ) 与 万，) 之间的转换阵【1 ，则 = 【丁一 ( 3 - 1 9 ) 肼2 【s 】【纠【2 】 万 j 将式( 3 1 9 ) 代入式( 3 1 1 ) 得 ( 【m 】+ 【m 。】) 占) + 【k 】 万) = 0 ( 3 2 0 ) 其中 m 口】【s 】【刎【刀就是通常所称的附加质量阵。 3 5 式( 3 2 0 ) 为在水介质下的结构自由振动的耦合控制方程，它同样可化为如 下形式的特征值问题 【捌 ，) = 丑【心】 电 ( 3 - 2 1 ) 此处【略】是非对称矩阵，因此不能将其转化为标准特征值问题。用于求解 非对称特征值问题的方法是l a n c z o s 法。 3 3 3 流固耦合的基本原理 本文用声场分析闸门振动的流固耦合作用。用声场分析考虑流固耦合作用， 在求解结构的运动方程时，需要考虑流体的n s 方程以及流体运动的连续方程， 结构的离散化按普通固体结构有限元进行离散，流体结构按流体声单元进行离 散，并采用以下假定： ( 1 ) 流体是可以压缩的( 即流体的密度随压力的变化而变化) ； ( 2 ) 不考虑流体的粘性； ( 3 ) 不考虑流体的流动； ( 4 ) 整个流体域的密度和压力一致。 流体一结构相互作用的控制方