（水工结构工程专业论文）船舶撞击下人字闸门的动力反应分析.pdf

摘要 船闸人字闸门本身是一种比较复杂的空间梁板结构，其组合形式根据不同的 工程情况而复杂多样。闸门设计的主要方法是将各构件简化成平面杆件，采用结 构力学方法计算，但这种方法不能反映出闸门的空间整体工作性能。从现有的文 献资料看来，对水工闸门受冲撞而产生振动的研究和应用成果尚不多见。本文基 于大型通用软件a n s y s ，结合实际工程淮安三线船闸人字闸门所涉及的关键问 题，分析了人字闸门的受力特点和工作方式，建立了三维结构仿真模型，并对人 字闸门在船舶撞击作用下的动力响应做了研究。具体内容如下； 1 研究选择了基于a n s y s 的能反映闸门各构件真实工作状态的单元模式， 根据人字闸门的受力特点和工作方式，建立了人字闸门的三维结构有限元模型。 2 介绍了撞击动力学和动力有限元的基本理论，根据结构和水体动力相互 作用的理论，建立了水体和闸门相互作用求解方程，研究了a n s y s 的二次开发 技术，利用a n s y s 参数化设计语言( a p d l ) 编制了基于a n s y s 的动水压力 附加质量求解程序。 3 根据淮安三线船闸人字闸门的工作特点，利用本文提出的人字闸门的建 模方法，建立其精细有限元模型，并根据本文提出的计算方法对淮安三线船闸人 字闸门进行在船舶撞击下的动力特性计算。分析了不同水位下的人字闸门的自振 特性和在不同撞击位置、不同撞击方向、不同水深条件下的振动规律。提出一些 有益建议。 4 详细分析了撞击荷载作用下闸门主要构件( 面板、主梁、纵梁和a 、b 杆) 的应力、变形规律，校核了人字闸门的强度和刚度。计算结果表明，撞击点 应力较大，己超出材料容许强度，将发生屈服破坏，但由于属于应力集中，影响 范围很小，对闸门整体强度和刚度影响不大，闸门整体的强度是满足设计要求的。 撞击部位可通过布置护舷等构件防护，对主梁和纵梁不至引起不可恢复的变形而 造成破坏。闸门的整体稳定性能够得到保证。 关键字：人字闸门：a n s y s ：附加质量：碰撞冲击：动力反应 a b s t r a c t m i t e rg a t ei sac o m p l i c a t e dt r i d i m e n s i o n a lb e a m s l a bs t r u c t u r c a n dt h e c o m b i n i n gf o r n lo fi tc a nb ec h a n g e da c c o r d i n gt od i f f e r e n tp r o j e c tc o n d i t i o n s t h e p r i n c i p a lm e t h o do fg a t ed e s i g ni st h a ts i m p l i f y i n ga l ls t r u c t u r a le l e m e n t si n t op l a n e m e m b e r sa n dc a l c u l a t i n gb ys t m c t u r a lm e c h a n i c s h o w e v e r , t h ei n t e g r a l t r i d i m e n s i o n a lo p e r a t i n gp e r f o r m a n c eo fg a t ec a nn o tb er e t i e c t e db vt l l i sm e t h o d r e f e r r i n gt ot h ee x i s t i n gl i t e r a t u r e sa n di n f o r m a t i o n t h es t u d i e sa n da p p l i e d a c h i e v e m e n t sa b o u tv i b r a t i o no c c u r r e db yc o l l i d i n go nh y d r a n l i cg a t ea r es t i l ln o tv e r y m u c h b a s i n go nt h el a r g e - s c a l ec o m m o ns o f t w a r ea n s y sa n dc o m b i n i n gt h ek e y p r o b l e m se n c o u n t e r i n gi nt h em i t e rg a t ed e s i g no fh u a i a nn o 3s h i p l o c k t h i sp a p e r a n a l y z e st h es t r e s s i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n do p e r a t i o nm o d e so fm i t e rg a t et oe s t a b l i s h s i m u l a t i o nm o d e l sw i t ht h r e ed i m e n s i o n a ls t r u c t u r e ，a n ds t u d y st h ed y n a m i cr e s p o n s e o fm i t e rg a t eu n d e rs h i pi m p a c t i o n t h ed e t a i lc o n t e n t sa r ca sf o l l o w s ： 1 u n i tm o d e lr e f l e c t i n gt h ea c t u a lw o r kc o n d i t i o n sb ya n s y si ss e l e c t e di nt h i s s t u d y , a n dt h r e e - d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n t sm o d e lo f m i t e rg a t e i se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h es t r e s sc h a r a c t e r i s t i ca n dw o r km o d e lo f m i t e rg a t e 2 i m p a c td y n a m i c st h e o r ya n db a s i ct h e o r yo fd y n a m i cf i n i t ee l e m e n ta r c i n t r o d u c e di nt h i sp a p e r e q u a t i o ns o l u t i o nf o rc o u p l e di n t e r a c t i o no fw a t e rb o d ya n d g a t ei sd e t e r m i n e db ya d o p t i n gp r i n c i f ，l eo ft h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ns t r u c t u r ea n d w a t e rb o d y s e c o n d a r yd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g yo fa n s y si ss t u d i e d a n de q u a t i o n s o l u t i o nf o ra d d e dm a s so fh y d r o d y n a m i cp r e s s u r ei se s t a b l i s h e db yu s i n gp a r a m e t r i c d e s i g nl a n g n a g e ( a p d uo f a n s y s 3 a sp e rt h ew o r kc h a r a c t e r i s t i c so ft h em i t e rg a t ei nh u a i a nn o 3s h i p l o c ka n d a d o p t i n gm o d e l i n gm e t h o dp r o m o t e di nt h i sp a p i e r , e l a b o r a t ef n i t ee l e m e n tm o d e lh a s b e e ne s t a b l i s h e da n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fh u a i a nn o 3s h i p l o c ku n d e rs h i p i m p a c th a sb e e nc a l c u l a t e db yt h em e t h o dp u tf o r w a r di n t h i sp a d e ls e l f - v i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n tw a t e rl e v e la n dv i b r a t i o nr u l eu n d e rd i f i e r e n ti m p a c t p o s i t i o n ，d i f i e r e n ti m p a c td i r e c t i o na n dd i f f e r e n tw a t e rd e p t hh a v eb e e na n a l y z e df o r m i t e rg a t e ，a n ds o m eh e l p f u ls u g g e s t i o n sh a v e b e e na d v a n c e di nt h i sp a p e r 4 s t r e s sa n dd e f o r m a t i o nl a w so ft h ep r i n c i p a lm e m b e r s ( f a c e p l a t e ，g i r d e r , l o n g i t u d i n a lb e a m ，a n da bb a r ) i ng a t eu n d e ri m p a c th a v eb e e na n a l y z e di nd e t a i l s t r e n g t ha n dr i g i d i t yo f m i t e rg a t eh a v eb e e nc h e c k e d t h ec a l c u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e s t h a ty i e l df a i l u r ew i l lb eo c c u r r e dw h e nt h es t l e s sa ti m p a c tp o i n ti sm u c hh e a v y f b e y o n dt h ea l l o w a b l es t r e n g t ho fm a t e r i a l s ) t h i sy i e l df a i l u r eb e l o n g st os t r e s s c o n c e n t r a t i o n ，a n dt h er a n g eo fi n f l u e n c ei sm u c hs m a l l t h e r e f o r e ，t h ei n f l u e n c eo f o v e r a l ls t r e n g t ha n dr i g i d i t yo fg a t ei sn o tt o om u c h a n dt h eo v e r a l ls t r e n g t ho fg a t e c o n f o r n l st ot h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s s h i pf c n d e ro ro t h c rd e f e n s ee l e m e n t sw i l lb e u s e da ti m p a c tp a r t st oe n s u r et h eg i r d e ra n dl o n g i t u d i n a lb e a mw i l ln o tb ed e s t r o y e d b yn o n r e n e w a b l ed e f o r m a t i o n ，a n dt h eo v e r a l ls t a b i l i t yc a nb ee n s u r e d k e yw o r d s ：m i t e rg a t e ，a n s y s ，a d d e dm a s s ，c o l l i s i o ni m p a c t ，d y n a m i cr e s p o n s e 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) ：池 边砷年j 月3 。日 学位论文使用授权说明 河海大学、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) 电子杂志社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) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 选遗 卿年j 月；。日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 人字闸门构造形式及工作特点 闸门是水工建筑物的重要组成部分之一，它可以根据需要封闭建筑物的孔 口，也可全部或局部开启孔口，用于调节上下游水位和流量，从而获得防洪、灌 溉、供水、发电、通航、过木过筏等效益，还可用于排除漂浮物、泥沙、冰块等， 或者为相关建筑物和设备的检修提供必要条件。闸门通常设置在取水输水建筑物 的进、出口等咽喉要道，通过闸门灵活可靠的启闭来发挥它们的功能与效益及维 护建筑物的安全i l j 。 水工闸门的建设是与灌溉、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，通过水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”( 即闸门) 。这些“可移动的 坝”可以从正常的位置移开，为排放过量的水提供了通道，这样在水利工程的运 行中允许有更大的安全性和灵活性。第一条用于输送货物和排放洪水的运河建于 中国，大约在公元9 8 3 年，中国人发明了在间隔一段距离后建设两座坝的方法， 船只可以进入两座坝形成的“水池中”，通过升高或降低池中的水位来运送船只。 荷兰的闸门开发采取的是与中国类似的模式。1 4 世纪末，船闸在那里已经非常 普遍，闸门仍是起落式闸门。1 7 9 5 年，小瀑布运河建成，使其成为美国第一条 带有船闸的运河。第一座金属闸门出现在1 8 3 0 年左右。随着即将进入新世纪， 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。有代表性的闸门形式有平面闸门、弧形闸门，人字闸门、扇 形闸门等。 闸门的种类和型式繁多，按其工作性质可分为工作闸门、事故闸门和检修闸 门等。工作闸门是建筑物正常运行时使用的闸门。一般可在动水中启闭。事故闸 门是在建筑物或设备发生事故时使用的闸门，能在动水条件下关闭孔口，阻断水 流，防止事故扩大。能快速关闭的事故闸门称为快速闸门。检修闸门专供建筑物 或设备检修时使用，一般在静水中启闭。闸门按门叶材料可分为钢闸门、钢筋混 凝土闸门、木闸门及铸铁闸门等。焊接钢闸门是最常用的闸门形式：钢筋混凝土 闸门虽可节省钢材，但门重较大，适宜在低水头的中小型水闸中采用：钢丝网水 泥闸门抗撞击能力低、耐久性差，木闸门寿命短，这两种闸门目前已很少使用； 孔口尺寸较小，或闸门构件外形比较复杂时，可采用铸铁或铸铁钢闸门，但铸造 工艺的劳动强度及加工工作量较大，费用较高。按闸门的构造特征可分为平面闸 门、弧形闸门、梁式闸门、屋顶闸门、扇形闸门和圆筒闸门等型式。 平面闸门是水工建筑物最常用的闸门，它的结构较为简单，操作运行方便可 河海大学硕士学位论文 靠，对建筑物的布置也较易配合，使其广泛应用于水利水电工程的泄水系统、引 水发电系统、灌溉系统和航运系统等等。简单的平面闸门只是一块平面的整板。 比较复杂的则是梁格式的平面闸门。船闸闸首工作闸门常采用的形式有人字闸 门、上升式或下降式平面闸门、横拉式平面闸门、上升或下降式弧形闸门等，其 中人字闸门应用最广泛。人字闸门是由两扇各自绕其竖轴转动的门扇组成。在关 闭位置时，两扇门在斜接柱上相互支承而形成三铰拱“人”形，故得名。在门开 启位置时，每扇门各自旋转到闸首两侧闸墙的门龛内，因而人字闸门对航道的通 航净空尺寸没有丝毫影响。人字闸门只能在静水条件下操作【邵j 。 人字闸门的门扇结构有平面式和拱式两种。由于平面式的门扇与三铰拱的压 力线不能一致，每- f l 扇将受到轴向压力和弯矩的联合作用。而拱式门扇的轴线 与三铰拱的压力线形相重合，其门扇只承受轴向力而弯矩较小，因而可以节省材 料，但拱式人字闸门的制造、安装复杂，门龛较深，因而应用较少。 按照门扇梁系的布置形式，平面人字闸门又分为横梁式和竖梁式两种。横梁 式适用于门宽小于或等于门高的情况，而当门高小于门宽时，可采用竖梁式梁系。 由于人字闸门的结构特征，故其梁系多为水平主梁式。 人字闸门的每一扇门，是由承重结构、支承部件、止水、安全保护设施及工 作桥等组成。承重结构包括面板、次梁、主梁、隔板、斜接柱、门轴柱及背拉杆 等。面板、次梁、主梁、隔板组成的梁系结构，承受水压产生的弯矩和三铰拱作 用的轴向力f 4 j 。人字闸门的面板、次梁、门背联结系和竖向联结系与平面闸门类 似。主梁是门扇的主要受力构件。主梁除了承受弯矩外，还承受三铰拱的轴向压 力，一般为实腹式焊接工字型截面。水平主梁式人字闸门，其水压荷载由面板及 次梁传给主梁，左右门扇相对应的各对主粱起三铰拱的作用，将其所受水压荷载 传给门轴柱和斜接柱，并通过支垫与枕垫传递给闸首两侧边墙。人字闸门的面板 位于上游面，一般用平钢板制成，在决定面板厚度时，应与梁格结构综合考虑， 使面板与梁格用钢总量经济。面板直接承受水压力而产生的局部弯曲应力与面板 参加主梁弯曲所产生的整体弯曲应力应于叠加。斜接柱和门轴柱将梁系连成整 体，作为纵向梁参与传递轴向力，并与顶、底主横梁组成闭合框架，以保持门体 具有足够的刚度。门轴柱的上、下端分别设置顶、底枢轴，门扇的启闭则绕顶枢 和底枢中心连线转动。顶枢一般由三个主要部件组成：固定在门轴柱上端的顶枢 座上的颈轴；一端具有两个套环的两根拉杆，颈轴可在套环内转动；将拉杆的另 一端锚定在混凝土闸墩内的锚定构件。底枢一般也由三个主要部件组成：承轴巢 ( 通常与底主梁的支垫座铸成整体，用螺栓固定在门轴柱下端的底主梁腹板上) ； 蘑菇轴头( 轴头顶部的半球面抵紧于承轴巢的穹形曲面，轴头下部固定在承轴台 上) ；承轴台( 埋固在闸首底板的混凝土内，借以固定轴头) 。门轴柱外侧设置支 垫，在闸门关闭挡水时，支垫与埋设在闸墙上的枕垫共同起着支铰的作用，而将 主梁的反力传递给闸首边墙。人字闸门通过设置在斜接柱外侧的斜接木、支垫或 2 第一章绪论 整体的金属承压条，以互相支承并传递中间铰的推力。人字闸门在巨大的水荷载 和运行时的动水阻力下，将给闸门的强度和刚度带来相当复杂的问题【5 j ，背拉杆 是门扇中抗扭的重要构件，当闸门开启时，它可以减小门扇因门重而产生的下垂， 从而保证门扇矩形轮廓不变。此外，还可以增加门扇在开启时的抗扭刚度，因而 对闸门的安全运转起着重要作用。近年来，国内大型人字闸门上采用了预应力背 拉杆，大大加强了门扇的抗扭刚度。人字闸门的止水，包括侧部止水、中间止水 与底部止水，一般采用p 型橡皮止水。有时也可以根据门扇的大小及支承形式， 利用斜接木或整体金属承压条来做侧部止水与中间止水。为了便于管理人员的工 作和通行，在闸门顶部还需要设置工作桥。为了使闸门准确的对中关闭，门上设 导卡装置。为了防止船只撞击，门上还需设置防撞缓冲装置。为了限制闸门的转 角，设置了限位装置。 1 2 人字闸门的研究分析现状 在上世纪六十年代前设计的闸门，大多是按平面结构体系设计方法进行设计 的。这种设计方法主要是立足于材料力学、结构力学和经验公式，按一般结构力 学和容许应力方法进行计算的。人字闸门的面板、水平次梁( 次横梁) 、竖直次 梁等构件的计算方法均和平面闸门相应构件的计算方法相同。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) 梁的整体弯曲工作，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迭加。水平次 梁的荷载分配按相邻间距和之半法进行，再根据构造按连续或简支进行计算。竖 直次梁承受的荷载有水平次梁传来的集中荷载和面板直接传来的三角形分布荷 载，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】。 一般在平面体系设计方法中，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，以至于计算结果在许多地方比实测值大2 0 4 0 ，而在一些关键部位又不够安全，从而造成整个结构的不完整性，所以按平 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；另外，人字闸门的结构变形具有很强的空间效应，而按平面理论 计算却无法体现出这种空间效应，难以精确模拟闸门的整体工作性能和实际工作 状态。总之按平面体系进行设计，不能准确地反映整个闸门各构件间的相互联系 及变形协调关系以及非计算构件在闸门上的作用即，“i i , 1 2 。 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 结构体系进行分析计算。在荷载的作用下，各个构件相互协调、共同作用，因而 3 河海大学硕士学位论文 计算时不像平面体系那样逐个独立地进行计算而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。 首先将整体结构进行单元划分，对每一个单元建立结点平衡方程，然后将其集合 成整个结构的平衡方程组，求出每个结点的位移，再根据单元应力和结点位移之 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结点处的 位移、应力值。运用空间有限元法计算人字钢闸门，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，深入分析闸门这种特殊结构的受力特 点、变形特点，不仅可以节省材料、减轻闸门自重，实现对闸门结构的整体优化， 同时还能提高闸门的整体安全度1 5 , 6 , 7 1 。 人字闸门本身是一种比较复杂的空问梁板结构，其组合形式根据不同的工程 情况而复杂多样。但其结构形式无论怎么变化，它的基本组成部分是不变的：面 板、主梁、次梁、背拉杆、隔板、斜接柱等，一旦闸门的结构形式确定，其整个 结构的动态特性参数( 应力、应变、自振频率等) 也随之确定。运行过程中，作 用于门体的水流脉动荷载、卡门漩涡等水动力荷载均是引发闸门振动的振源。当 水流的流激频率与闸门的自振频率相接近时，闸门结构与水流将出现共振现象， 这时振动幅值将大幅度增加，以致引起闸门结构的局部或整体破坏l 明。引起闸门 破坏的另一重要原因是止水漏水l 砸j 。由渗漏形成的缝隙水流成为水封自激振动 源，当此振动频率同闸门结构的固有频率相接近时，同样激发整体结构的共振， 引起闸门的动态失稳，从而造成结构的破坏。因此，研究闸门结构的动态特性， 对于避免共振现象的发生，完成弧形闸门结构的优化设计有着重要作用。从上个 世纪5 0 年代起，我国已对产生强烈振动的闸门进行了原型观测研究。通常使用 传统的冲击法进行闸门结构的动力特性研究，根据响应信号只能取得闸门结构的 第一阶频率，而应用这种方法取得资料既不完整，又不精确。长期以来，已经有 不少学者对此进行了大量的探索和研究。黄廷璞【1 9 1 等通过对我国2 0 余座低水头 闸门事故的调查分析后，发现失事闸门均是在明显的振动荷载作用下，闸门发生 强烈振动，引起闸门支臂动力失稳或面板部分位移偏大而导致闸门破坏；阎诗武 和严根华【2 1 2 2 2 3 z 4 】综合了国内外大量的研究成果，提出了泄水结构振动的振源按 性质分为随机、周期和冲击性振源，泄水结构可能受到紊流、尾流的动力组合。 1 9 9 3 年，严根华j 2 3 j 给出了结构动态修改的模态分析、有限元综合法，探讨 了受迫振动的仿真计算方法。通过工程实例，分析了结构的物理参数对模态频率、 振动位移的灵敏度。1 9 9 9 年，严根华1 2 4 j 通过对造成闸门强烈振动的振源进行了 研究，提出对闸门结构进行动态优化，有利于正确找到结构的动态薄弱环节，避 免共振造成的破坏。所以目前在进行闸门的动力分析时，主要是通过计算闸门的 自振频率，并与作用水流的脉动频率进行比较，使设计的闸门结构的自振频率远 4 第一章绪论 离水流动频率区，从而保证闸门的安全。 人字闸门是船闸闸首最常采用的工作闸门，在运行过程中人字闸门难免不会 受到进出船舶的撞击。从而使闸门产生剧烈振动，导致门页发生变形，甚至杆件 弯曲断裂、焊缝开裂等，以致造成人字闸门以及周围建筑物的破坏，影响船闸的 正常运行。因此随着水利事业的发展，人们对人字闸门提出了新的要求，希望在 保证它使用寿命的同时，应尽量避免由于船舶碰撞事件而造成的损坏。人字闸门 在启闭过程中或局部开启时以及在关闭蓄水时，由于受到诸如门前横向水流、漩 涡以及门后淹没出流和回流的作用，往往会出现振动现象，有时振动相当严重。 特别是船闸运行过程中，人字闸门会受到船舶的碰撞，从而使闸门产生的剧烈振 动，导致门页发生变形，甚至杆件弯曲断裂、焊缝开裂等，以致造成人字闸门以 及周围建筑物的破坏，影响船闸的正常运行。人字闸门结构在水中的振动是弹性 系统和流体相互作用、相互影响的复杂过程。如果闸门结构系统受到一次外来冲 击，这个冲击力所引起闸门的振动的频率接近人字闸门或者闸门某些构件的自振 频率时，门体结构或部分构件将会出现共振现象，以致人字闸门的构件出现很大 的应力和变形，造成破坏。因此，研究闸门结构的动态特性，对于避免共振现象 的发生，完成闸门结构设计有着重要作用。 1 3 问题的提出 入字闸门的静力分析主要有两种方法：一是国内现行钢闸门设计规范所建议 的按平面结构体系计算的结构力学方法；二是现国内外普遍采用的按空间体系考 虑的有限单元法。由于在实际工作中，人字闸门是一个空间薄壁结构，所作用的 荷载由全部组成的构件共同承担。因此，在按平面体系计算各个构件内力时，不 管做多么精细的假定，总是不能很好的反映出其真实的工作情况。为了全面了解 闸门各构件的实际应力状态，我们应该在人字闸门的设计中，对闸门进行空间有 限元计算分析，校核其强度和刚度。 由于不少人字闸门在通航过程中会由于船体冲撞而发生强烈振动，导致门页 发生变形，甚至杆件弯曲断裂、焊缝开裂等，以致造成人字闸门以及周围建筑物 的破坏，影响船闸的正常运行，造成巨大的损失。这样，动水作用下人字闸门结 构受冲击产生振动及安全可靠性等问题越来越受到高度重视。人字闸门结构在水 中的振动是弹性系统和流体相互作用相互影响的复杂过程。如果闸门结构系统受 到一次外来冲击，这个冲击力所引起闸门的振动的频率接近人字闸门或者闸门某 些构件的自振频率时，门体结构或部分构件将会出现共振现象，这将对人字闸门 造成严重的影响，以致人字闸门的构件出现很大的应力和变形，造成破坏。人字 闸门本身是复杂的空间杆系结构，加之作用在闸门上的水流动压力目前还不能准 确地确定，所以目前在进行闸门的动力分析时，主要是通过计算闸门的自振频率， 并与撞击引起的闸门频率进行比较，使设计的闸门结构的自振频率远离撞击引起 5 河海大学硕士学位论文 的频率区，从而保证闸门的安全。因而开展对水工闸门的静、动力安全技术的研 究，特别是受撞击产生振动问题的研究成为水利工程界共同关心的问题。从已有 失事工程分析，特殊外力荷载是导致结构失事的外部原因，而结构动力特性缺陷 则是问题的内因。因而控制和避免结构产生强烈振动的途径，在于改善作用于结 构的水动力条件和优化结构的静、动力特性。解决闸门的振动问题，确保结构动 力安全，应该首先从改善外力荷载条件着手，通过研究外力荷载对闸门产生的影 响规律，在可能的条件下，改善外力荷载的影响，降低或消除其对闸门结构的特 殊动力作用。避免次外力荷载产生的振动频率接近闸门结构的固有频率。其次， 可以根据外力荷载对闸门的影响规律，对结构的薄弱环节进行加固措施或防撞措 施。 随着些功能强大、通用性好、使用方便的大型结构有限元分析软件( 如 a n s y s 、m a r c 、a d i n a 等) 的出现。如果将上述问题借助于这些软件，解决 结构分析问题，将会产生事半功倍的效果。现在将有限元技术借助于大型有限元 分析软件a n s y s ，利用其本身的参数化设计语言( a p d l ) 进行优化设计是近年来 研究的热点。从现有的文献资料看来，对水工闸门受船舶撞击而振动的研究和应 用成果尚不多见，可以参考的文献很少，用空间有限元分析的就更少了，尤其是 与a n s y s 等结构计算软件有机结合的实例也未见报道。 1 4 本文的主要研究工作 论文在总结前人工作的基础上，阅读和查阅大量相关资料，结合实际工程中 淮安三线船闸工程人字闸门所涉及问题，基于大型通用软件a n s y s ，对人字闸 门受船体撞击过程中进行动力仿真分析，编制了基于a n s y s 的动水压力附加质 量求解程序。主要研究内容为 1 介绍了船闸人字闸门的构造形式、工作特点，综述了人字闸门研究分析 的现状。 2 分析了船闸人字闸门的受力特点和工作方式，研究选择了人字闸门适用 的单元模式，建立了三维人字闸门有限元计算模型。 3 介绍撞击动力学基本理论和动力有限元法的基本理论，采用a n s y s 软件 的程序设计语言( a p d l ) 对人字闸门动力计算进行二次开发，编制了基于a n s y s 的动水压力附加质量求解程序。 4 根据本文提出的人字闸门建模方法对淮安三线船闸工程人字闸门建立了 三维有限元仿真计算模型，并进行动力特性计算，详细分析了闸门在不同水位下 的自振频率和不同撞击方向、不同撞击位置情况下闸门的动力反应。 5 对淮安三线船闸人字闸门进行三维有限元分析，详细分析了闸门在受到 不同方向、不同高度的船体碰撞情况下各主要构件的应力、变形规律。研究了闸 6 第一章绪论 门的强度和刚度，并进行了闸门总体安全评价，得到了一组合理的分析成果。 7 河海大学硕士学位论文 第二章人字闸门三维有限元模型研究 2 1 概述 a n s y s 程序功能强大，应用范围很广，它能与多数c a d 软件接口，实现数 据的共享和交换，如p r o e n g i n e e r , n a s t r a n ，a l o g o r , i - - d e a s ，a u t o c a d 等，是 现代产品设计中的高级c a d 工具之一。该软件具有强大的前处理及后处理功能， 它的图形界面和交互式操作大大简化了计算模型的创建过程，同时在计算之前， 可通过图形显示来验证模型的几何形状、材料及边界条件；在后处理中，其计算 结果可以采用多种方式输出，比如计算结果排序和检索、彩色云图、等值线、动 画显示等等。 我们在进行水工结构分析计算时与其他通用软件作过比较，发现其计算能力 和前后处理功能都具有明显的优势，特别是对复杂结构的建模和成果分析中， a n s y s 软件显得更快速、高效和准确，成果的可信度高的特点。因而，我们在 淮安三线船闸人字闸门和水工结构的结构计算分析时，研究选择了a n s y s 软件。 下面就对该软件做个说明。 2 2a n s y s 软件简介及二次开发技术 2 2 1a n s y s 简介1 3 。堋 有限元法( f e m ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 的基本概念是用较简单的问题代 替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由无数多个称为有限元的小的互连子域 组成，对每一单元假定一个合适的( 较简单的) 近似解，然后推导求解这个域总的 满足条件( 如结构的平衡条件) ，从而得到问题的解。由于大多数实际问题难以 得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行 之有效的工程分析手段。 a n s y s 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于体的大型通用有 限元分析软件，由美国a n s y s 公司世界著名的力学分析专家d r s w a n s o n 率领科 技人员多年研究开发的。它能与多数c a d 软件接口，实现数据的共享和交换，如 p r o e ，n a s t r a n ，a l g o r ，a u t o c a d 等，是现代产品设计中的高级c a d 工具 之一。可广泛地应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、 汽车交通，国防军工、电子、土木工程，造船，生物医学、轻工、地矿、水利、 日用家电等一般工业及科学研究。a n s y s 软件是第一个通过i s 0 9 0 0 1 质量认证的 大型分析设计类软件，是美国机械工程师协会( a s m e ) 、美国核安全局( n q a ) 及近二十种专业技术协会认证的标准分析软件。在国内第一个通过了中国压力容 器标准化技术委员会认证并在国务院十七个部委推广使用。在国际，a n s y s 软 8 第二章人字闸门三维有限元模型研究 件已经成为土木建筑行业c a e 仿真分析软件的主流。在钢结构和钢筋混凝土房屋 建筑、体育场馆、桥梁、大坝、隧道以及地下建筑物等工程中得到了广泛的应用。 通过它可以对这些结构在各种外荷载条件下的受力、变形、稳定性及各种动力特 性做出全面分析。a n s y s 软件具有强大的静力分析、动力学分析、非线性分析、 优化设计和可靠性分析等结构分析能力。 a n s y s 程序功能强大，应用范围很广，其基于m o t i f 标准的图形用户界面 ( g u i ) 及优秀的程序构架使其易学易用。它主要包括三个部分：前处理模块， 分析计算模块和后处理模块【笠l i 纠。利用这三大模块在对人字闸门进行精确仿真 模拟分析时，可以显示出其较强的优越性。 1 前处理模块 ( a ) 建模简便。由于人字闸门是由挡水面板、主梁、次梁、隔板、背拉杆等 构件组成的复杂梁系结构，其工作时所承受的荷载通过各构件的相互传递来共同 负担，在进行仿真分析时，计算模型的选择必须考虑到各构件的几何性质、变形 特点和受力方式以及相互作用关系等。a n s y s 软件在前处理模块中提供了一个 强大的建模工具。无论使用自顶向下还是自底向上的方法建模，用户均能使用布 尔运算来组合数据集，从而雕刻出一个模型。其中还提供了完整的布尔运算，诸 如相加、相减、相交、分割、粘贴和重叠，在创建复杂实体模型时，对线、面、 体、基元的布尔操作能减少相当可观的建模工作量； ( b ) 单元类型和材料类型丰富，可满足多种结构建模的要求。对于人字闸门 这种结构，主要由大量板、壳、梁、杆等构件组成，在a n s y s 中均有对应单元 对其模拟：面板、腹板等可以用壳单元( s h e l l 6 3 ) 模拟；主梁和纵梁的翼缘可以 用梁单元( b e a m 4 ) 模拟；人字闸门背拉杆和a 、b 拉杆可以用杆单元( 1 i n k 8 ) 模拟。同时，人字闸门在冲击过程中涉及到非线性问题，对于材料的非线性问题， a n s y s 提供了多种材料模型，可供不同的材料选取，可以通过定义材料本构关 系来具体设定其物理力学特性； ( c ) 分网功能强大。a n s y s 程序提供了使用便捷、高质量的对一维至三维模 型进行网格划分的功能。包括4 种网格划分方法：延伸划分、映射划分、自由划 分和自适应划分1 7 1 】。延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格；映像 网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几部分，然后选择合适的单元属性和 网格控制，生成映像网格；自由网格划分器可对复杂模型直接划分，避免了用户 对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。 2 分析计算模块 有限元分析的主要目的是检查结构对一定荷载的条件的响应，因此，在分析 中指定合适的荷载条件是关键的一步。在a n s y s 程序中，可以用各种方式对模 型加载，而且借助于荷载步选项控制在求解中荷载如何使用。另外，a n s y s 软 9 河海大学硕士学位论文 件分析计算模块具有较实用的非线性分析功能，对于非线性的计算除有一定的迭 代算法，还提供一系列的命令来增强非线性计算的收敛性。 3 后处理模块 可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立 体切片显示、透明及半透明显示( 可看到结构内部) 等图形方式显示出来，也可 将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。这也给人字闸门的最终分析研究提供 了诸多便利之处。 2 2 2a n s y s 参数化设计语言( a p d l ) 及二次开发 2 0 - 2 1 1 ， 2 4 1 ( 1 ) 参数化设计语言( a p d l ) 与所有的有限元软件的分析过程类似，a n s y s 软件的标准分析过程包括： 建立分析模型并施加边界条件、求解计算和结果分析三个步骤。对于一个简单模 型来说，无论是新建分析还是进行修改后重新分析，按照这三个步骤进行都是简 单的。但是对于一个复杂模型来说，对新建模型进行分析是必须要完成的，但要 对其进行修改重新分析时，若继续按照上述三个步骤来做，其过程是相当复杂和 费时的。为了解决这个问题，a n s y s 软件提供了一种以命令流方式进行分析的 功能，即a y s y s 参数化设计语言( a n s y sp a r a m e t e rd e s i g nl a n g u a g - a p d l ) ，它 是一门可用来自动完成有限元常规分析操作或通过参数化变量方式建立分析模 型的脚本语言。它用建立智能化分析手段帮助用户自动完成有限元分析过程，即 程序的输入可设定为根据指定的函数、变量以及选用的分析类型来做决定，是完 成优化设计和自适应网格的最主要的基础。a p d l 允许复杂的数据输入，使用户 实际上对任何设计或分析属性有控制权，如分析模型的尺寸、材料的性能、荷载、 边界条件施加的位置和网格的密度等。a p d l 扩展了传统有限元分析的范围，并 扩展了更高级运算，包括灵敏度研究、零件库参数化建模、设计修改和设计优化 等。它具有下列优点： 可以减少大量的重复工作，特别适用于经少许修改( 如修改网格的密度) 后需要多次重复计算的情况，可为设计人员节省大量的时间，以利于设计人员有 更多的精力来从事产品的构思； 便于保存和携带，一个a p d l 的a s c i i 文件一般只有几十千字符，最多 也只有几百千字节，其数据文件的容量仅为g u i 数据文件的千分之一，无论是 网上或平常的交流都很方便； 不受a n s y s 软件的系统操作平台的限制，即用户使用a p d l 文件既可以 在w i n d o w s 平台进行交流运行，也可以在u n i x 或其它的操作平台上运行。而 用g u i 方式生成的数据文件则不能直接交流； 不受a n s y s 软件版本限制，一般情况下，a n s y s 软件以g u i 方式生成 的数据文件只能向上兼容一个版本，也就是a n s y s 7 0 版本的软件只能直接调出 1 0 第二章人字闸f 3 - - - - 维有限元模型研究 a n s y s 6 0 版本的数据文件，而不能直接调用a y s y s 5 7 及以前的数据文件。而 a p d l 文件则不存在这个限制，仅有个别命令会有影响； 在进行优化设计和自适应网格分析时，则必须使用a p d l 文件系统。利用 a p d l 方式，用户很容易建立参数化的零件库，以利于其快速生成有限元分析模 型： 利用a p d l 可以编写一些常用命令流的集合即宏命令，或者是制作快捷 键，并将其放在工具栏上； 可以利用a p d l 对a n s y s 进行二次开发。 ( 2 ) 用户可编程特性( u p f s ) 用户可编程特性( u p f s ) 向用户提供了丰富的f o r t r a n 用户程序开发子 程序和函数，用户可以利用它们从开发程序源代码的级别上扩充a n s y s 的功能。 使用这些子程序和函数，编写用户功能的源代码程序，在与a n s y s 版本要求匹 配的f o r t r a n 或c + + 编辑器上重新编译和连接，生成用户版本的a n s y s 程序。 另外，还提供了外部命令功能，允许用户创建a n s y s 可以利用的共享库。以下 几个方面的功能程序可以开发【1 5 6 1 ： 开发用户子程序实现从a n s y s 数据库中提取数据或将数据写入到 a n s y s 数据库中。这种子程序可以编辑连接到a n s y s 中，a n s y s 提供了1 0 个数据库操作命令，倘若作为外部命令处理，该子程序可以在a n s y s 的任何模 块中运行； 利用a n s y s 提供的子程序定义各种类型的载荷，其中包括b f 或b f e 载 荷