（水工结构工程专业论文）ANSYS在大型船闸设计中的应用.pdf

a n s y s 在大型船闸设计中的应用 摘要： 有限元方法在工程结构分析中的应用日趋广泛，在船闸的结构设计中，利 用有限元方法对船闸进行分析，解决船闸结构设计中传统方法的局限性，从而 更精确的对船闸的结构进行分析。近年来，随着计算机的发展，用a n s y s 分析 软件，可以对船闸结构以及边界条件比较复杂的情况进行计算，而且使计算结 果更加精确，使船闸的布置更加合理，使船闸的功能得到更好的发挥。文章论 述了有限元方法及a n s y s 软件的计算原理及步骤，并以裕溪船闸为例分别用有 限元方法及a n s y s 软件对船闸的上闸首进行计算、分析，并把两种方法进行对 比，结果表明a n s y s 软件在船闸结构内力分析中吻合性好，具有广阔的前景和 实际应用价值。 关键词：船闸、内力分析、有限元方法、a n s y s 、地质条件、地基基础处理 a n s y ao ni n t e r n a lf o r c eo fl a r g es h i pl o c k s t r u c t u r e a b s t r a c t t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o di sm o r ea n dm o r ep o p u l a ri ne n g i n e e r i n g s t r u c t u r e i nt h ei n t e r n a lf o r c eo fl o c ks t r u c t u r e u s et h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dt o a n a l y s i st h ei n t e r n a lf o r c eo fs h i pl o c ks t r u c t u r e ，s o l v et h es t r u c t u r a ld e s i g no f s h i p l o c ko ft h el i m i t a t i o n so ft r a d i t i o n a lm e t h o d s ，t h u sm o r ep r e c i s ec a r r i e so nt h e a n a l y s i st ot h es l u i c es t r u c t u r e i nr e c e n ty e a r s ，w i t h t h ed e v e l o p m e n to ft h e c o m p u t e r ，w i t ha n s y sa n a l y s i ss o f t w a r e ，c a nl o c ks t r u c t u r ea n d t h eb o u n d a r y c o n d i t i o n st oc a l c u l a t et h em o r ec o m p l e xs i t u a t i o n ，m o r e o v e rc a u s e st h ec o m p u t e d r e s u l tt ob em o r ep r e c i s e ，c a u s e st h es l u i c et h ea r r a n g e m e n t t ob em o r e r e a s o n a b l e a n de n a b l et h es l u i c et h ef u n c t i o nt oo b t a i nab e t t e rd i s p l a y t h i sp a p e r d i s c u s s e st h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o da n da n s y ss o f t w a r ec a l c u l a t i o np r i n c i p l ea n d p r o c e d u r e ，a n dt a k et h ey u x il o c ka sa ne x a m p l e ，u s e st h ef i n i t ee l e m e n t m e t h o da n d t h ea n s y ss o f t w a r es e p a r a t e l yc a r r i e so nt h ec o m p u t a t i o n ，t h ea n a l y s i st os l u i c eo n f l o o d g a t e a n dc o m p a r e dw i t ht h em e a s u r e dv a l u e s ，t h er e s u l ti n d i c a t e dt h ea n s y s s o r w a r et a l l i e st h en a t u r ei nt h es l u i c es t r u c t u r ee n d o g e n i cf o r c ea n a l y s i st ob e g o o d ，h a st h eb r o a dp r o s p e c ta n dt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o nv a l u e k e yw o r d s ：s h i pl o c k ，f o r c ea n a l y s i s ，f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，a n s y s ，g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s ，f o u n d a t i o nt r e a t m e n t 2 插图清单 图2 1 三角形单元的位移分量和力分量1 7 图2 2 杆件单元位移分量和力分量1 8 图2 3 四面体单元一2 0 图2 4 闸墙应力计算图式2 7 图2 5 闸首分段示意图3 1 图2 - 6 边墩不平衡剪力分配的计算简图3 2 图4 1 裕溪船闸上闸首平面图4 1 图4 2 裕溪船闸上闸首a a 剖面图4 2 图4 3 裕溪船闸上闸首b b 剖面图4 2 图4 4 裕溪船闸上闸首c c 剖面图4 2 图4 5 上闸首岸墙垂直方向示意图4 3 图4 6 上闸首空箱示意图4 3 图4 7 船闸最高通航水位及检修水位土压力受力图一4 4 图4 8 闸门推力受力图4 4 图4 9 上闸首人字门支撑反力( 压应力) 4 5 图4 1 0 地震力分布示意图4 5 图4 1 l 动土压力p 分布图4 6 图4 1 2 完建期上闸首岸墙受力图4 7 图4 1 3 船闸最高通航水位上闸首岸墙受力图一4 8 图4 1 4 检修期上闸首岸墙受力图4 9 图4 1 5 上闸首三维实体模型5 1 图4 1 6 完建期上闸首变形图5 2 图4 1 7 完建期上闸首等效应力图5 2 图4 1 8 船闸最高通航水位上闸首变形图5 3 图4 1 9 船闸最高通航水位上闸首等效应力图5 3 图4 2 0 检修期上闸首变形图5 4 图4 2 l 检修期上闸首等效应力图5 4 6 表格清单 表1 1 船闸分级指标3 表4 1 底板最大弯矩及弯曲应力5 0 表4 2 底板最大剪力及剪应力5 0 表4 3 解析法最大弯曲应力值及最大剪应力值5 1 表4 4 完建期下闸首受力51 表4 5 最大水级下闸首受力5 2 表4 6 检修期下闸首受力5 3 表4 7 有限元法上闸首最大等效应力值及最大剪应力值5 4 表4 8 解析法与有限元法内力分析结果对比5 4 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金壁兰些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志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谢意。 学位论文作者签字： 签字日期：2 口m 年4 月肜日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金目里工业盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金目墨些太 堂一可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位敝者虢本垒翩虢兰 签字日期：2 0 1 0 年牟月，占日签字日期：沪l 口年中月沾日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 幽恻删删蚪陟 躲媚菸乡 。 电话： 脚爿7 7 钮7 7 邮编：2 ：o o o o 致谢 本文是在我的导师汪莲副教授、安徽省水利勘测设计院王力理教授级高工 的悉心指导下指导完成的，不论是从课程学习、论文选题，还是到收集资料、 论文成稿，都倾注了他们的心血，由衷的感谢两位老师在学业指导及各方面所 给予我的关心和帮助。老师广博的学识、严谨的治学作风、诲人不倦的教育情 怀和平易近人的作风，使我受益匪浅。 感谢安徽省水利水电勘测设计院的各位前辈在我论文撰写期间，给予的大 力支持和悉心指导。 感谢合肥工业大学土木与水利工程学院的领导和各位老师，在我的课程学 习和论文撰写期间给予我的支持和帮助。感谢所有给予我关心、支持和帮助的 老师、同学以及我的家人。 作者：李岩 2 0 1 0 年3 月2 9 第一章绪论 1 1 船闸在我国水运业发展中的作用【1 】【2 】 在中国的发展历史中，水利不仅占有重要的地位，并且起着不可替代的作 用。中国拥的国土面积有9 6 0 万平方公里，她幅员辽阔、物产丰富，为中华民 族的繁荣和繁衍提供了空间。为了使中国的土地资源才能得到合理的开发利用， 只有满足除水害兴水利的条件，才可以解决水土资源分布不均的情况。在中国 的历史上，中华名族生存发展的首要条件就是兴修水利。五千年来，中华民族 之所以可以不断的繁荣发展正是依靠了水土资源的不断开发。不论是辽阔的江 河中下游平原，还是山峦沟壑间的层层梯田，以及荒漠隔壁中的片片绿洲，我 们中华民族的祖先所艰辛创立的水利丰碑屹立在这广袤的大地上 中华人民共和国成立后，水利的广泛修建，江河湖波的大力治理，都取得 了举世瞩目的成就。截止1 9 8 8 年，全国共整修和新建了2 0 万k m 的江河湖海 堤防；建成了8 2 9 3 7 座大、中、小型水库，总计4 5 0 4 亿m 3 的库容；建成5 3 0 2 处万亩以上灌区，机电排灌能力6 4 3 7 万k w ；水电装机3 2 7 0 万k w ；内河通航 里程1 l 万k m 。通过兴建以上的设施，使水旱灾害得到了初步的控制，并且使 水资源的综合开发利用有了一个崭新的开始，形成了由主要江河组成的防洪体 系。在水利事业的大力发展中，勘测、水文、规划、设计、施工、管理、科研、 教育等各个方面都得到了同步的发展，为国家的水利建设提供了大批的人才， 组成了一支具有国际水平的水利队伍。在中国6 0 年来的社会经济发展中水利建 设做出了巨大的贡献。 作为交通运输的一个重要的组成部分，水路运输( 包括内河运输和海洋运 输) 在现代的工农业生产、国防建设、以及改善人民生活和促进国际贸易与文 化交流中都起着不可替代的作用。然而，作为主要通航建筑物的船闸对于促进 经济腾飞和国民经济建设都有着重要的作用和不可替代的地位。 在我国有5 万多条河流的流域面积在l o o k m 2 以上，而湖泊则有9 0 0 多个， 并且水量都很充沛。，多数地区的河流终年不冻，只有少数地区的河流除外，具 这使得我国在发展水利事业中有着优越的条件。我国是世界上最早利用水运的 国家，也是最早修建船闸的国家，早在公元8 2 5 年，李渤在主持修建灵渠时， 就创建了3 6 座陡门，陡门就是闸门的雏形。到了9 8 7 年乔维岳在灵渠时，创建 了二斗门，二门相距五十步，设置悬门，这就是世界上最早的船闸，比13 7 5 年在荷兰出现的半船闸早了约4 0 0 年。这些都是中华民族祖先宝贵的智慧结晶， 也是我国水运事业的科学遗产。 船闸建设事业和其他的建设事业一样在中华人民共和国成立后都有了较大 的发展。从京杭运河的整治扩建工程起，我国的船闸建设取得了巨大的成就， 有了突飞猛进的发展，京杭运河的整治扩建工程是从第一个五年计划开始勘测、 第二个五年计划开始施工的。由此开始我国的船闸建设逐步向标准化、规范化 和高水头方向发展。在我国船闸的建设过程中，开展了大量的包括通航水流条 件、泥沙淤积、船闸水力学、船闸结构、闸门、阀门及启闭设备、控制和管理 等在内的科研试验和原型观测，这些都取得了大量的成果，为船闸建设和运行 提供了科学依据，促进了船闸建设的发展。 随着我国高水头水利枢纽通航和渠化工程及运河建设的发展，我国的船闸 建造技术随之得到提高，特别是在解决水利枢纽通航的泥沙防治，提高单级船 闸高水头船闸水力学、闸门及启闭机械建造技术、研究通航水流条件的船模试 验技术、自动控制和交通管制等方面将会得到进一步的发展。可以预见在不久 的将来我国船闸建设技术水平将会走到世界前列。 1 2 船闸的组成及其结构型式 1 2 1 船闸的组成【3 】 4 1 【5 】 船闸是使船舶通过航道中有集中水位落差河段的一种通航建筑物，其基本 组成分为以下四部分：闸首、闸室、输水系统、和附属设施( 口门区、连接断、 锚泊地、导航建筑物、靠船建筑物、闸阀门、启闭机械、电器控制设备、通讯、 助导航、运行管理等) 。 ( 1 ) 闸首 闸首是用于将闸室与上、下游引航道分隔开的挡水建筑物，位于船闸闸室 的上、下游两端。船闸闸首是船闸的基本组成部分。闸首分为上闸首和、下闸 首和中闸首，位于上游端的称为上闸首，位于下游端的称为下闸首。在连续多 级船闸中，位于上、下两个闸室之间的闸首称为中闸首。船闸闸首由两侧边墩 和底板构成。在闸首口门上设有工作闸门和检修闸门，在边墩上设有闸门、阀 门的启闭机械以及船闸的操纵管理设备和信号标志、照明等辅助设施。此外， 闸首上还设有交通桥、机房、管理房等。 ( 2 ) 闸室 闸室是供过闸船舶安全停泊、升降和通过之用的，是由上、下闸首和两侧 闸墙围成的厢形空间，包括有效和无效两部分，因其型式似无盖的长方形厢， 故又称闸厢。闸室若采用分散输水方式则要设有输水廊道系统。 ( 3 ) 引航道 引航道是供过闸船舶停泊系靠、调顺、会让和安全通畅进、出闸室之用的 连接船闸闸首口门与主航道的一段航道。连接上闸首的引航道称上游引航道， 连接下闸首的引航道称为下游引航道，在引道内设有主、辅导航建筑物和靠船 建筑物。为使引航道成为静水区域，一般在靠河、湖、水库侧设有防浪隔流建 筑物，其上游或下游引航道口门外的水域为引航道口门区。引航道的作用是引 导船舶安全顺利的进出船闸，并供等待过闸船舶停靠。引航道包括导航段、调 2 顺段、停泊段、过渡段、制动段五部分。 1 2 2 船闸的结构型式【5 1 根据我国船闸总体设计规范，依据设计最大船舶吨级，可将船闸分为7 级， 见表1 1 所示。 表1 1 船闸分级指标 船闸级别i h v l 设计最大船舶吨级( t ) 3 0 0 0 2 0 0 01 0 0 05 0 03 0 01 0 05 0 注：设计最大船舶吨级系指通过船闸的最大船舶载重吨( d w t ) ；当为船队通过时， 指组成船队的最大船舶载重吨( d w t ) 。 船闸的结构型式很多，根据船闸不同的特征，如闸室数目、位置、功能、 输水型式、结构形式、闸门型式等，船闸可分为各种不同的类型。 ( 1 ) 按照船闸所处的地理位置和使用性质划分船闸 按照船闸所处的地理位置和使用性质，船闸可分为内河船闸与海船闸。内 河船闸是指建于内陆河流及人工运河上，供内河船舶航行的船闸。海船闸是指 建于进港口门和入海河口处，供海船航行的船闸。 海船闸与内河船闸相比，海船闸的特点是：闸室平面尺度及门槛水深较 大。闸首以内外闸首区分。闸首承受正反两向的水压力作用。为了防止 海水入侵，污染内河水质位于河口的海船闸一般设有防咸设施。海船闸的水 位差只有几米，落差不大，多为单级船闸。在风和水流作用下船舶难以自航 进出闸时，多采用拖轮牵引。 ( 2 ) 按照船闸闸室的纵向排列数目划分船闸 根据船闸闸室的纵向排列数目，船闸可分为单级船闸与多级船闸。多级船 闸与单级船闸相比，船舶过闸时间较短长，船舶的周转较慢，船闸通过能力较 小。但是单级船闸的建筑物及设备集中，管理比较方便。但是当船闸的水头较 大时，则要采用单级船闸，但是这样不仅过闸用水量大，而且灌泄水时高速水 流挟带着巨大能量进入闸室或引航道，将会影响船舶的停泊及输水阀门的工作 条件。此外，水头愈高，闸室、闸首和闸门等结构愈复杂。如果船闸所处位置 的地形、地址条件又受到限制时，采用单级船闸在技术上和经济上都会产生许 多困难，有时甚至是不可能的。在一般情况下，当水头不超过2 0 m 时，宜建单 级船闸。当水头超过2 0 m 而小于4 0 m 时，应经过技术经济比较，以确定采用两 级船闸或单级船闸。当水头超过4 0 m 时，应进行两级或多级的比选。近年来， 为了加速船舶过闸、提高船闸的通过能力，多趋向提高船闸的水头以减少船闸 的级数，国内外陆续建造了一些2 0 m 以上水头的单级船闸。连续多级船闸的特 点是：因船闸的总水头通常平均分配于各级闸室，每级船闸的水头比单级船 闸的水头小很多，故便于消能处理，使船舶的停泊条件和输水阀门的工作条件 得到改善。连续多级船闸的闸首、闸室和闸门的高度较低，可以减少工程量， 并简化闸门的制造和安装。节省过闸水流量。船舶的过闸时间较长，通过 能力降低，停航检修概率高。补溢水处理、消除中间闸室波浪等措施也较复 杂。在水头较高( 一般大于2 0 m ) 或地形、地质等经济技术条件等需要限制单 级船闸的水头时，须考虑建两级或多级船闸。 ( 3 ) 根据船闸闸室横向平行排列数目划分船闸 根据船闸闸室横向平行排列数目，船闸可分为单线船闸、双线船闸和多线 船闸。单线船闸是指在一个枢纽内只建一座船闸。双线船闸是指在一个枢纽的 横向平行建立两座船闸。多线船闸则是指在一个枢纽内建有两个以上的船闸。 船闸线数的确定，取决于货运量与船闸的通过能力。在一般的情况下，大多数 情况下只建单线船闸。只有当单线船闸的通过能力在设计水平年内不能满足运 量的需要时，或船闸所处河段的航运对国民经济具有特殊重要意义，不允许因 船闸检修等因素而可能发生断航时，才必须建造双线或多线船闸。通常根据近 期货运量先建造单线船闸，根据水运发展的可能预留位置，随着货运量的增加， 再扩建第二线以及更多线的船闸。多线船闸主要是根据船舶运行密度，地形条 件和船型状况及其可能的发展，在经过充分论证后，在总平面布置图上预先作 出安排。 ( 4 ) 根据船闸使用特点划分船闸 根据船闸使用特点，在已建的船闸中有广室船闸，具有中间闸首的船闸、 省水船闸、井式船闸以及闸梯( 又称设置中间渠道的多级船闸) 等各种类型。 除了以上介绍的船闸，其余的还有广室船闸、省水船闸、溢洪船闸等。 1 2 3 船闸结构及其一般工作条件【5 】1 6 】【7 】 ( 1 ) 闸室结构型式 闸室的横断面形状，基本上可分为梯形和矩形两种，前者称为斜坡式闸室， 后者称为直立式。 斜坡式闸室 斜坡式闸室由两侧岸坡和闸底构成，岸坡和闸底一般均需加以保护。通常 在闸室的一侧或两侧设有垂直栈桥以防止闸室泄水时船舶搁浅在斜坡上。斜坡 式闸室的结构简单，施工方便，造价低。但是斜坡式闸室在使用上存在许多缺 点，主要表现在闸室容积大，耗水量大，输水时间长，闸室内水位经常变化， 容易使岸坡坍塌。并且，闸室内设置的垂直栈桥的维修工程量大。因此，斜坡 式闸室已很少使用。斜坡式闸室仅使用在水量充足的航道上的低水头的小型简 易船闸。斜坡式闸室的岸坡坡度一般是根据上、下游水位，岸坡土壤的性质和 岸坡高度等因素，由整体稳定验算确定；一般采用l ：2 5 1 ：4 o 。斜坡一般 采用干砌块石护面，并铺设反虑层以防止因船闸输水时的局部冲刷以及渗流和 冻融等对闸底和边坡造成破坏。 4 直立式闸室 直立式闸室的两侧闸室墙的墙面垂直或接近垂直，避免了斜坡式闸室在使 用上的缺点，其优点是船舶过闸和停泊安全可靠，现代船闸一般均采用这种型 式。直立式闸室根据地基的性质，可分为岩石地基上的闸室和土基上的闸室大 类。建造在土基上的闸室又可分为整体式和分离式两种结构型式。分离式闸室 结构是指船闸闸室两侧的闸室墙是独立的挡土建筑物，底部是砌石护底的透水 闸底的闸室。还有一种分离式闸室结构是闸室墙与闸室底板之间设置分缝的闸 室。根据地基、水头等条件分离式闸室结构采用不同的闸室墙型式。土基上的 分离式闸室，多采用带有横撑格梁的透水闸底，这种闸底比较经济，但是只适 用于水级较小、地基对渗透变形不敏感的情况。土基上常用的分离式闸室的挡 墙型式有重力式、扶壁式、悬臂式、高桩台式等。当水级较大，地基为粉砂、 细砂或淤泥时，闸室则可以采用双铰式不透水底板或采用整体式结构；岩基上 常用的结构型式有重力式、衬砌式和混合式；当岩基坚硬、完整时，可不设底 板；当岩基不耐冲时，则需要做护底。闸室的结构形式要根据地基条件、水级 大小、材料来源、施工条件等各种因素来综合选定，一般情况下采用分离式闸 室结构比较经济合理。在软弱地基上且水级较大时，可采用整体式结构。 ( 2 ) 闸首的结构型式 闸首的结构主要有整体式和分离式两大类型。在土基上通常采用整体式结 构，即边墩和底板刚性连接在一起，这样可以保证闸首具有足够的整体刚度， 避免由于闸首边墩相对沉陷而影响船闸的正常工作；土基比较坚实，如果经论 证边墩的沉降不会影响闸门等设备的正常工作，就可以采用分离式结构。在岩 基上，一般采用分离式结构；当基岩较差或具有软弱夹层时，则多采用整体式 结构。 整体式闸首结构 整体式闸首结构的底板一般均采用平底板。底板厚度可取等于( 上二) 3 54 5 11 边墩的自由高度，但不应小于其净跨的( 圭 ) ，在粘性地基上取较大值，在 76 沙性地基上可取较小值。从己建在软基上的闸首现场实测资料可以知道：在即 将放水前的完建期，底板的工作条件是最不利的，在这期间，由于回填土的压 实，在底板内产生较大的负弯矩，底板在没有任何保护措施的情况下若遇到寒 潮会突然降温，将会产生较大的温度应力。如果船闸的底板较厚，混凝土中的 水化热所引起的温度应力与以上的附加内力相叠加，底板将会产生裂缝。为了 改善软基上的底板在完建期的工作条件，对于大型船闸可以采用“墩底分浇、 预留宽槽、后期封合 的措施。即在边墩下的地基和回填土得到一定沉陷后， 选择有利的温度，再将临时缝封合，这对改善底板的受力状态是极为有利的。 至于闸首的边墩，在较好的地基上，可以采用混凝土和钢筋混凝土重力式结构 型式。为了节省钢材，在一些船闸上，除在边墩下部廊道部位和受力较大的支 持墙段采用钢筋混凝土结构以外，其它部分采用坞工结构。如果地基较差，闸 首边墩可以采用轻型结构，比如扶壁式结构、空箱式结构。空箱式边墩结构的 自重力较小，底板面积较大，因而地基反力较小。同时空箱的刚度比较大，承 受闸门推力的整体性比较好。此外，如果闸首纵向地基反力分布不均匀，还可 在空箱中充填部分砂石或充水，来调整各种情况下的地基反力。但是空箱式结 构施工复杂，钢材及模板耗费较多。 分离式闸首结构 分离式闸首结构多用于岩石地基上，其边墩的构造，在很大程度上取决于 基岩顶层和闸底的相对高程以及岩石的性质。它可以是重力式或衬砌式的。当 岩石比较坚实，裂隙较少时，可不设底板，只需要将闸底基面加以平整即可。 若岩石的裂隙较多，闸底要承受较大的压力，而岩石又容许埋置锚杆时，可将 闸底做成有锚的衬砌底板。如果岩石的质量较差，不能埋置锚杆时，若有足够 的承受能力和摩擦系数，可将底板做成支撑于边墩上的板或倒拱结构，以承受 扬压力的作用。 总之，影响闸首布置及结构构造的因素很多，主要有船闸的整体布置，水 头及闸室尺寸，输水系统的型式，闸、阀的型式及地基条件等，而这些因素又 是相互关联的。因此，闸首的合理布置及结构方案的确定是一项复杂的任务， 在进行闸首布置时，应注意以下几点： a 根据闸门的工作条件、闸首的稳定性、渗流情况以及地基的承载能力， 在软土地基上，一般采用整体式结构。在岩石地基上，可采用分离式结构。当 岩石地基较差或具有软弱夹层时，应采用整体式结构。 b 闸首的长度对工程量的影响很大，应尽量缩短，特别是不包括在闸室有 效长度内的部分。可以考虑的方式有：在布置输水系统和闸门时，在长度上尽 可能将两者结合；将检修阀门布置在输水廊道的进出口处；降低输水廊道出口， 增加其淹没水深来减小出口在长度方向的尺寸；在情况允许时把检修闸门的门 槽设于闸首外，在闸首范围内仅布置它的支撑体。 c 闸首边墩的宽度也应减小，这样可以减少工程量。为此应尽可能不在边 墩的同一断面上布置输水阀门、工作闸门、检修闸门及启闭机械。同时还应保 证沿闸首有畅通的工作通道。 d 选择闸门及各种设备时，应把各种方案的使用和造价以及因而引起的闸 首造价的增减结合起来考虑。 e 在满足上述要求的同时，应尽力使结构的受力简单明确，以便正确掌握 其受力情况，从而经济合理和安全可靠的确定各部分的尺寸。 1 3 船闸结构内力分析的意义和目的 由于船闸类型的多样性和结构形式的复杂性，所以各个船闸结构的受力情 6 况各不相同。所采用的施工方法和结构形式与船闸正常运行荷载作用下的内力 有着密切的关系。对船闸结构的内力合理的分析和计算，是保证整个船闸结构 体系稳定性和安全性的关键。现阶段，在我国船闸结构内力的分析中，主要以 解析分析法为主，即将结构进行简化，以平面体系来计算结构的内力。但是在 许多结构复杂，体积庞大，受力形式多样的船闸结构中，平面假设方法不能完 全兼顾各个方面，也就是说在这种情况下，以平面假设方法所计算出的内力并 不符合结构的实际结构型式及受力特点。即使应用平面有限单元法来计算船闸 结构内力，但还是基于平面体系的，只是计算的精确度有所提高，并没有解决 结构的空间问题。本文软件a n s y s 来解船闸结构内力，并加以比较，软件a n s y s 在船闸结构内力分析中得到应用并加以推广。 对船闸结构内力进行分析和研究的目的主要有以下几点： ( 1 ) 根据所选定的设计方案，对结构的每一部分进行内力计算，以免结构 产生不必要的破坏； ( 2 ) 根据对结构内力的分析和计算，作为设计方案选择的依据； ( 3 ) 在施工前对结构内力进行分析和计算，以便对施工方法加以控制和调 整。 总之，通过对船闸内力的分析和研究，可以为船闸结构的优化设计提供依 据，对提高施工质量，保障结构安全，改进结构形式等具有重要的意义。 7 第二章船闸设计中结构分析的主要方法 2 1 有限元方法及其在船闸结构分析中的应用 2 1 1 有限元方法简介【9 】【1 0 】【1 4 】 ( 1 ) 有限元方法概论及其基本步骤 有限元方法又称有限元素法( t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，简写为f e m ) ，是 求解边值或初值问题，建立在待定场函数离散化基础上一种数值方法，是2 0 世纪中期兴起的应用数学、力学及计算机科学相互渗透、综合利用的交叉学科。 有限元法是求解数理方程的一种数值计算方法。它是解决工程实际问题的 一种有力的数值计算工具。有限单元法最初被用来研究复杂的飞机结构中的应 力，是将弹性理论、计算数学和计算机软件有机的结合在一起的一种数值分析 技术；后来因为这一方法的灵活、快速和有效性，它迅速发展成为求解各领域 的数理方程的一种通用的近似计算方法。 有限元法是工程技术领域内常用的数值模拟方法，其他的数值模拟方法还 有：边界元法( b o u n d a r ye 1 e m e n tm e t h o d ，简写为b e m ) 和有限差分法( f i n i t e d i f f e r e n c em e t h o d ，简写为f d m ) 等，但就其实用性和应用的广泛性而言，还 是有限单元法，作为一种离散化的数值解法，有限单元法首先是应用在结构分 析中，然后才在其他领域得到广泛应用。 离散化的思想可以追溯到2 0 世纪4 0 年代。1 9 4 1 年a h r e n n i k o f f 首先提出 了用离散元素法求解弹性力学问题，虽然当时的离散模型仅能用杆系结构来构 造，但是却能很好的说明有限元的思想。如果原结构是杆系结构，那么用这种 方法来模拟是精确的，发展到现今就是大家所熟知的矩阵分析法。究其实质， 这还不能说是有限单元法的思想，但是结合以后的有限元理论，统称为广义有 限单元法。1 9 4 3 年r c o u r a n t 在求解扭转问题时为了表征翘曲函数而将截面分 成若干三角形区域，在三角形区域设定一个线性的翘曲函数，这实际上就是有 限单元法的基本思想，在电子计算机出现后这一思想才真正用于工程中。 有限单元法的基本思想是将物体( 即连续的求解域) 离散成有限个且按一 定方式相互联结在一起的单元的组合，来模拟或逼近原来的物体，从而将一个 连续的无限自由度问题简化成离散的有限自由度问题求解的一种数值分析方 法。物体被离散后，通过对其中各个单元进行单元分析，最终对整个物体进行 分析。在网格划分中每一个小的块体称为单元。确定单元形状、单元之间相互 联结的点称为节点。单元上节点处的结构内力为节点力，外力( 有集中力、分 布力等) 为节点荷载。 2 0 世纪5 0 年代因为航空工业的需要，美国波音公司的专家首次采用三节 点三角形单元，将矩阵位移法用到平面问题上。同时原联邦德国斯图加特大学 的j h a r g y r i s 教授发表了一组能量原理与矩阵分析的论文，为这一方法的理论 8 基础做出了杰出贡献。l9 6 0 年美国的r w c l o u g h 教授在一篇题为平面应力 分析的有限单元法的论文中首先提出了“有限单元法( t h ef i n i t ee l e m e n t m e t h o d ) 一词，此后这一名称得到了广泛承认。 2 0 世纪6 0 年代有限单元法迅速发展，除了力学界以外，许多数学专家也 参与了这项工作，奠定了有限单元法的理论基础，搞清了有限单元法与变分法 之间的关系，发展了各种各样的单元模式，扩大了有限单元法的应用范围。 2 0 世纪7 0 年代以来，有限单元法得到了蓬勃发展，它的应用范围扩展到 所有的工程领域，成为连续介质问题数值解法中最为活跃的分支。由变分法有 限元扩展到加权残数法与能量平衡法有限元，由弹性力学平面问题扩展到了空 间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到了稳定性问题、动力问题和波动问 题，由线性问题扩展到了非线性问题，分析对象从弹性材料扩展到了塑性、粘 弹性、粘塑性和复合材料等，由结构分析扩展到了结构优化乃至于设计自动化， 从固体力学扩展到了流体力学、传热学、电磁学等领域。有限单元法使许多复 杂的工程分析问题迎刃而解。 有限单元法的基本思想是借助于数学和力学的知识，利用计算机技术解决 工程技术问题的一种方法。 从数学角度来看，有限单元法的基本思想是通过离散化的手段，将偏微分 方程或者变分方程变成代数方程来求解。从力学角度来看，有限单元法的基本 思想是通过离散化的手段，利用单元的力学特征，把一个复杂的连续体离散成 有限个单元体的组合结构。而后经数学规划后，得到一个表征整个求解域问题 的线性方程组，一般只有通过计算机与相应的软件技术才能得到较为满意的数 值解答的方法。 有限单元法按其推导方法分类 a 直接刚度法 直接刚度法简称为直接法。直接法是根据单元的物理意义，建立有关场变 量所表示的单元性质方程。这种方法的优点是推导直观并且易于理解，它广泛 应用于固体力学的求解运算中。但缺点是单元特征分析中要引入节点力的概念 以及节点平衡条件，不易于直接推广到流场、温度场等非结构问题中。 b 变分法 变分法是直接从求解泛函的极值问题入手，把泛函的极值问题规划成线性 代数方程组，然后来求其近似解的一种计算方法。它是从里兹( r i t zm e t h o d ) 的基础上发展变化来的。变分法与里兹法在实质上相同，两者主要的不同点在 于前者假设的坐标函数不需要满足整个求解域，只需要满足离散后的单元( 子 域) 即可。所以，变分法对坐标函数的选取比里兹法容易。由于引入了离散化 的概念，对复杂求解域可以用单元的简单形状集合而成，来解决实际工程中提 出的各类复杂的问题。 9 c 加权余量法 对于某些工程问题，相应的泛函数难以得到，或者相应的泛函根本不存在 时，就无法采用变分法。加权余量法则直接从控制方程中得到有限单元方程， 是一种近似解法。 加权余量法基本上包括两个解题步骤。首先是设定一个近似函数，使它的 性态近似满足所给的微分方程和边界条件。把该近似函数带入原始微分方程和 边界条件中，这样会产生一个误差。这个误差称为余量。使这个余量在整个求 解域的平均值为零，即选取一组线性独立的余量加权函数形，使之在求解域q 内满足 l r 形咖= 0 ( 净l ，2 ，z ) ( 2 3 ) 这样，在某种意义上，认为余量r 0 。 有限单元法的解题步骤 a 待求解域离散化 将求解域或连续体划分成以单元( 子域) 来表示的组合体。单元和单元之 间以节点相连。 b 选择插值函数 选择适当的插值函数来表示单元内的场变量的变化规律。场变量可以是标 量、向量或者高阶张量。常数多项式是场变量的近似表达式，多项式的阶数取 决于单元的节点数、节点的自由度数，以及单元间边界的变量的协调性等。场 变量及其导数都可以作为节点的未知量。 c 形成单元性质的矩阵方程 利用有限单元法的不同解法，求出表达单个单元性质的矩阵方程。 d 形成整体系统的矩阵方程 综合求解域上的所有的单元性质矩阵方程，形成整体系统的矩阵方程。 e 约束处理，求解系统方程 利用系统矩阵方程建立求解方程组，引入边界条件，即约束处理，求解出 节点上的未知场变量。 f 其他参数计算 利用已求出的场变量，计算一些其它所希望的参数。例如，对于一个流场 解出压力分布后，还要计算流体边界上所受到的合力等。 ( 2 ) 有限单元法的优缺点 有限元方法经过了几十年的研究和发展，逐步成为解决各学科的数值计算 问题的一种普遍方法，广泛的应用于结构、流体、电磁、热传导、声场等多学 科的稳态分析、瞬态分析、特征值分析及与之相关的耦合场问题和非线性问题 的分析中。有限元方法已经成为工程设计中不可或缺的一种重要分析技术，其 计算结果被作为各类工程结构设计和工业产品性能评估的重要参考依据。 l o 有限单元法特点 a 思路直接，易于掌握。 b 能适应复杂的几何形状及复杂边界条件。 c 理解可以建立在不同层次上，可以通过直观的力学概念，也可以建立在 严格的理论基础上。 d 适用范围广泛，可以用于几乎各种物理场问题的求解。 e 基本求解过程采用矩阵形式表达，适合计算机编程处理。 有限单元法的优点 a 有限无法不需要适用于整个物体的插值阐述，它只是对每个单元各自插 值，因此可以很容易地模拟具有不规则复杂形状的结构。 b 整个系统离散为有限个单元，并将整个系统的方程转换成一组线性联立 方程，可以用多种方法对其求解。 c 可以毫无因难地处理一般的载荷。 d 边界条件不进入单个有限单元的方程，而是在得到整体方程后再加入边 界条件。 e 因为单元方程是单个建立的，所以可以模拟由几种不同材料构成的物体， 处理非线性问题，求解非均匀介质。 f 可以处理动态问题。 g 单元的尺寸大小可以变化，而且改变有限元模型也比较容易。 h 可以处理大变形和非线性材料带来的非线性问题。 有限元法的不足之处 a 有限元计算。在特别是对复杂问题的分析上，所耗费的计算资源是惊人 的。 b 有限元法很难处理无限区域问题。 c 尽管现在的有限元软件提供了自动划分网格技术，但是选取多大才合适 等问题还是需要依赖于经验。 d 有限元分析得到的结果并不是计算机辅助工程的全部，而且一个完整的 系统，仿真分析不能单独使用有限元分析来完成，必须结合其他分析和工程实 践才能完成整个的工程仿真设计。 ( 3 ) 现代有限元应用软件及其特点 有限元软件是和有限元法同时诞生的，并且随着有限元法和计算技术的发 展而迅速发展的。有限元法是与工程应用密切结合，并直接为工程设计服务的。 因此，各种有限元结构分析程序( 即有限元软件) 是有限元法转化为直接推动 社会发展和科技进步的生产力，发挥了巨大的社会和经济效益。有限元软件本 身就是c a d c a m 不可分割的一部分。同时，以有限元软件为依托的力学学科 一一计算力学，异军突起，将力学理论应用于工程实践中，使古老的力学科学 在新世纪的今天仍然闪耀着强大的生命之光。由于有限元程序使用方便、计算 精度高，它的计算结果已成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据。以 a n s y s 为代表的工程数值模拟软件，即有限元分析软件，不断吸取计算方法和 计算机技术的最新进展，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已 成为解决现代工程问题必不可少的工具。 自2 0 世纪7 0 年代后期，国际上较大型的面向工程的有限元通用程序达到 几百种，引入我国的各种大、中型专用和通用有限元著名软件有数十种，主要 包括： a d i n a ( af i n i t ee l e m e n tp r o g r a mf o ra u t o m a t i cd y n a m i ci n c r e m e n t a l n o n l i n e a ra n a l y s i s ) 一一美国麻省理工学院机械工程系开发研制的自动动力增 量非线性分析有限元程序。 a l g o r 一一美国a l g o r 公司在s a p 5 和a s i n a 有限元分析程序基础 上针对微机平台开发的通用有限元分析系统。 a n s y s ( a n a l y s i ss y s t e m ) 世界著名的力学分析专家、匹兹堡大学教授 j s w a n s o n 创建的s a s i 公司( s w a n s o na n a l y s i ss y s t e mi n c ) 开发的大型通用有 限元分析软件，世界最具权威的有限元产品。 i d e a s ( i n t e g r a t ed e s i g ne n g i n e e r i n ga n a l y s i ss y s t e m ) 一一美国s d r c 公 司开发的机械通用软件集成化设计工程分析系统。 n a s t r a n ( n a s as t r u c t u r a la n a l y s i s ) 一一美国国家航空和宇航局 ( n a s a ) 开发的结构分析程序。 s a p ( s t r u c t u r a la n a l y s i a sp r o g r a m ) 一一美国加州大学伯克利分校 m j w i l s o n 教授开发的线性静、动力结构分析程序。 另外还有德国的a s k a ，英国的p a f e c ，法国的s y s t u s ，美国的a b q u s 、 b e r s a f e 、b o s o r 、c o s m o s 、e l a s 、m a r c 和s t a r d y n e ，韩国的m i d a s 等产品。 这些程序有的经过我国工程技术人员消化得到推广和应用，有的经过改进 提高形成功能更全更强的通用程序。 ( 4 ) 有限单元法的发展 当今国际上有限元法和软件发展呈现出以下一些趋势特征： 从单纯的结构力学计算发展到求解多物理场问题。有限元法最早是从结 构化矩阵分析发展而来，逐步的推广到板、壳和实体等连续体固体力学分析， 实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。并且从理论上也已证明，只要用 于离散求解对象的单元足够小，所得的解就可足够逼近于精确值。因此，近年 来有限元法己发展到流体力学、温度场、电传导、磁场、渗流和声场等各种问 题的求解计算，最近又发展到求解几个交叉学科的问题。 由求解线性工程问题进展到分析非线性问题。随着科学技术的发展，线 1 2 性理论已经远远不能满足设计要求。例如建筑行业中的高层建筑、大跨度悬索 桥和大跨度快速拼装式桥梁的出现，这就要求考虑结构的大位移和大应变等集 合非线性问题；又比如塑料、橡胶和复合材料等各种新材料的出现，仅靠线性 计算理论就不足以解决所遇到的问题，只有采用非线性有限元算法才能解决。 众所周知，非线性数值计算是很复杂的，它涉及到很多专门的数学问题和运算 技巧，一般的工程技术人员很难掌握。因此近年来国外一些公司花费大量的人 力和投资开发了诸如a n s y s 、m a r c 、a b q u s 和a d i n a 等专门求解非线