斐济南德瑞瓦图水电站表孔工作弧门结构应力有限元计算与分析.docx

·28·水利水电工程设计DWRHE·2014年第33卷第2期

斐济南德瑞瓦图水电站

表孔工作弧门结构应力有限元计算与分析

田志伟郑向晖

摘要结合斐济南德瑞瓦图水电站表孔弧形闸门的设计，基于有限元通用商业软件ANSYS为平台建立模型，施加荷载和约束，计算闸门应力位移分布情况，并对计算结果进行分析。

关键词弧形闸门应力有限元强度刚度ANSYS

中图分类号TV663文献标识码B文章编号1007-6980(2014)02-0028-04

工程位于斐济VitiLevu岛中南部，坝址处于东经177°5628.93”,南纬17°4002”,距离Nadi机场135km,距离首都苏瓦约300km。工程主要包括：拦河坝、输水系统、电站厂房、132kV开关站和输变电线路系统。工程的主要作用是拦河蓄水发电。拦河坝位于Qaliwana和Nukunuku河流汇流处，工程以上控制流域面积92.7km2。挡水建筑物为混凝土重力坝(包括溢洪道和泄流底孔),最大坝高41.5m,坝顶宽8.5m,坝顶长度86.835m,调节库容100万m3,最大库容200万m3,电站总装机容量为44MW。溢洪道顶高程516.40m,溢洪道为开敞式溢洪道，采用挑流消能，共计3孔溢洪道，每孔净宽6m。溢洪道共设3孔弧形闸门，为表孔斜支臂弧形闸门，支铰轴承采用自润滑球面轴承，闸门动水启闭，闸门由2×1000kN液压式启闭机操作，主要用于泄洪及调节流量。

目前弧形工作闸门的设计假定通常应用平面假定体系，而弧形闸门本身是一个复杂的空间杆件及板壳系统，实际的应力、应变会与通常的计算结果有一定的偏差，所以有必要根据通常平面假定体系并结合有限元分析进行设计计算，相互验证，以便确定结构形式合理，力求验证闸门结构的安全。

1计算模型及参数

1.1建立模型

表孔弧形工作闸门是一种典型的空间薄壁结构体系，由一系列板、壳、梁、杆等构件组合而成。正常工作时，闸门所承受荷载将通过各构件的相互传递来共同承担，面板、主横梁、纵梁、

支臂等将发生弯曲、扭转、剪切、轴向拉压等组合变形，因此计算模型的选择必须考虑到各构件的几何性质、变形特征和受力方式以及相互作用关系等，以正确反映出闸门的整体作用以及各构件的实际工作状态。本文以大型商业通用有限元软件ANSYS为平台，根据闸门各构件的实际外形尺寸建立三维有限元模型(为了简化模型，侧轮未示),闸门门叶结构形式如图1。

1.2单元划分

根据闸门结构形式和受力特点，将闸门面板、主横梁、纵梁、边梁、小横梁、支臂臂杆、支臂间垂直连接件离散为SHELL63单元，支臂间斜连杆离散为BEAM188单元，支铰轴和吊杆轴离散为SOLID45单元。据此所建立的闸门有限元的节点总数为167819个，单元总数为165799个。

1.3约束处理

闸门在支铰处受3个方向位移约束及绕x、y轴的转动约束，门底受铅直方向位移约束。其中坐标系定义为：x轴沿水流方向，y轴沿铅直方向，2轴沿主横梁轴向。

1.4材料特性

闸门门叶结构的材料为Q345,材料的弹性模量取E=2.06×10?MPa,泊松比μ=0.3,容重y=78.5

kN/m3。

1.5计算荷载和计算工况

计算荷载主要考虑作用于闸门的水压力和闸门自重。计算工况：在极限水位18.1m时，闸门在承受静水压力时的工况。

2强度评判标准

在对闸门结构进行强度校核时，应首先确定

田志伟等·斐济南德瑞瓦图水电站表孔工作弧门结构应力有限元计算与分析·29·

上游视

上游视X下游视10708001800107Q

3.02.970

008E000142274900

008E000

14227

49004527

13700±10

7000±0.5

B-B

A

R15000土3

A-A

图1门叶结构示意图(单位：mm)

材料的容许应力，而容许应力与钢材的厚度直接相关，闸门各构件材料的厚度不等，其容许应力亦不相同。闸门面板、主横梁前翼缘、小横梁、纵梁以及边梁所用钢材的厚度均不大于16mm,属第1组，其容许应力为[o]=230MPa,[r]=135MPa,局部承压[o