三支臂弧形闸门结构自振特性研究

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1、第34卷第8期华电技术Vo1．34No．82012年8月HuadianTechnologyAug．2012三支臂弧形闸门结构自振特性研究谢智雄，梁明辉，胡霜天(1．河海大学机电工程学院，江苏常州213022；2．中国水电顾问集团北京勘测设计研究院，北京100038)摘要：为了掌握某水电站三支臂弧形闸门的自振特性，建立了4种计算模式下的有限元模型，运用ANSYS软件计算了闸门的自振特性并对不同计算模式下的计算结果进行了分析比较，研究结果可为同类闸门结构的设计计算提供参考。关键词：三支臂弧形闸门；自振特性；有限元分析；ANSYS软件中图分类号：T

2、V663．2文献标志码：A文章编号：1674—1951(2012)08—0001—04(1)杆系1：启闭杆和支臂简化为1个杆件，面O引言板梁格结构简化为质量点放在支臂柱头上，如图1a某水电站设12孔冲沙泄洪闸，孔口尺寸均为所示。14In×25m(宽×高，下同)，工作闸门均采用三支臂(2)杆系2：支臂简化为3个杆件，面板梁格结弧形工作闸门，每孑L1扇，共设置l2扇，闸门高25构简化为质量点放在中间支臂柱头上，如图1bm，弧门半径为30in，设计水头25m，采用上悬挂式所示。液压启闭机。对于这样的大型闸门，需要对其动力(3)杆系3：支臂简化为3个

3、杆件，面板梁格结特性进行分析。闸门结构相关计算的传统方法多是构简化为3个质量点，分别放在3个支臂柱头上，如将各部分作为平面问题进行计算，但不能反映结构图1C所示。部件的空间效应，实际上，三支臂弧形闸门为一空问3种计算体系均在启闭杆上端与支铰处受到铰板梁结构。本文运用ANSYS软件，按平面计算体系约束。和空间结构体系分4种计算模式(杆件质量体系、1．2支臂体系支臂体系、主框架体系及空间结构体系)，对闸门结将支臂结构取出单独分析，按单个支臂(取l构的启闭杆、面板以及支臂3大结构部件的自振特性根支臂)和支臂架(取3个支臂)2种计算体系，分别进行了分

4、析计算，对不同模式下的计算结果进行了比按一端固定一端铰接和两端铰接2种边界约束条件较，从而较为全面地把握了闸门结构的自振特性。进行计算，该体系又可分为4种计算模式：1计算模式(1)单个支臂1，两端铰接，如图2a所示。1．1杆件质量体系(2)单个支臂2，一端铰接，一端固定，如图2b对于三支臂弧形闸门，可将启闭杆和支臂简化所示。为杆件，将面板梁格结构简化为一个质量集中点。(3)支臂架体系1，支臂架两端铰接，如图2c该体系有3种简化模式：所示图1杆件质量体系(4)支臂架体系2，支臂架一端铰接，一端固定，收稿日期：2011—12—18如图2d所示。·

5、2·华电技术第34卷a单个支臂体系1b单个支臂体系2c支臂架体系1d支臂架体系2图2支臂体系1．3主框架体系2计算结果及分析主框架体系可分为平面框架体系和空间框架体系2种：2．1启闭杆及面板梁格沿切向的自振特性(1)平面框架体系：由2根支臂和1根主横梁不同计算模式下启闭杆及面板梁格沿切向的一构成一个平面结构，如图3a所示。阶自振频率计算结果见表1，从表1可以看出：(2)空间框架体系：由闸门面板、支臂、主梁构(1)启闭杆单独发生的横向弯曲振动，其频率成一个空间结构，如图3b所示。在各种计算模式下相同，由此可见，启闭杆的自振频主框架体系的边界约束

6、条件均为支铰处受到铰率不受计算模式和附加水体的影响。约束。(2)面板梁格沿切向振动的自振频率，3种杆系1．4空间整体结构体系模式计算结果与空间结构1的结果分别相差空间整体结构体系采用四节点板单元模拟闸门17．7％，21．6％和13．6％。杆系3的计算结果比杆面板梁格及支臂结构，采用空间梁单元模拟支臂连接系1、杆系2的计算结果更接近空间结构的计算结系，闸门结构的有限元模型如图4所示。计算时分2果，但仍然存在一定差异。因此，可采用杆系3作为种情况：空间结构1和空间结构2。空间结构1不考近似计算模型，若需精确结果还需要建立空间结构虑附加水体作用，空

7、间结构2考虑附加水体作用。模型。a平面框架体系b空间框架体系图3主框架体系图4空间整体结构体系表1启闭杆及面板梁格沿切向的一阶自振频率Hz第8期谢智雄，等：三支臂弧形闸门结构自振特性研究·3·(3)面板梁格沿切向振动的自振频率，空间结动，而不考虑其径向振动。从单个支臂来看，侧向振构1和空间结构2的计算结果基本相同，这是由于动均以主框架平面内的振动为主，振型为一个或者附加水体质量仅沿闸门径向分布，水、固接触面只发几个正谐波，典型的振型图如图5所示；切向振动从生相对滑动。单个支臂来看均以支臂架平面内的振动为主，振型2．2支臂的自振特性为一个或者几

8、个正谐波，典型的振型图如图6所示。对于支臂振动，主要考虑其侧向振动和切向振各种计算模式下，支臂一阶振动频率见表2。a对称振动b反对称振动图5支臂的侧向振动a同向反对