压杆布置对弧形闸门的静动力特性影响分析

作     者：兰佳欣 

作者单位：东北农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张中昊;汪恩良

授予年度：2020年

学科分类：081504[工学-水利水电工程] 08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：弧形闸门 压杆 静力特性 自振特性 极限承载力 

摘      要：随着水利事业的发展,工程中对闸门的安全性与实用性要求越来越高,一些大规模闸门的稳定性受到了更多学者的关注。弧形闸门因其结构轻巧、运行方便且操作简捷而广泛应用于水工建筑物中。但由于闸门在运行过程中往往存在着振动现象,极易引起结构动力失稳而破坏。为了减少弧形闸门的共振破坏,弧形闸门的优化设计及其静动力稳定分析成为了闸门结构研究要点。本文主要对两种型式下的弧形闸门的静动力特性做出了研究。首先介绍了近年来国内外关于弧形闸门优化设计以及弧形闸门振动的研究进程,分析了引起闸门动力失稳的原因,说明了本文即将开展的闸门静动力特性分析的思路和方法。简要地阐述了有限元数值分析方法的基本概念和分析步骤,介绍了本文计算分析中涉及的ANSYS应用特点,针对静力分析中采用的板、梁和杆空间单元和动力分析中设计的模态分析、谐响应分析理论做出了详细介绍。传统的弧形钢闸门通过主框架合理布置来提升闸门整体刚度,考虑到支臂作为主要受力构件且在闸门失稳中承担主要责任,从改良设计与布置上得到了很大改善,其中,树状柱支臂在整个弧形闸门结构中的应用可以使每个构件的受力情况得到改善,支臂结构的计算长度系数大幅度降低,同时能够减少材料的使用,相对于传统二支臂、三支臂及多支臂结构更加安全合理。本文在沿用此种支臂形式前提下,提出通过在树状柱支臂和纵梁翼缘张均匀布置压杆以提高闸门整体刚度,进而提升闸门自振频率,降低闸门在低阶频率下的响应值,达到提升闸门结构的静动力稳定性的目的。针对弧形闸门的运行方式和受力变形特点,首先对文中应用有限元数值模拟方法所需要的理论知识进行了简要介绍,对两种型式弧形闸门进行了静力分析、模态分析及谐响应分析。在静力分析下,计算了闸门的受力变形响应,具体包括静水压力下面板、横纵梁和支臂相应的应力和位移;并对两种型式闸门进行了弹塑性力学分析,结果表明压杆布置闸门刚度与极限承载能力得到了很大的提升;对闸门在无水关闭情况下模态分析时,获取了两种型式闸门的振动频率及相应振型;还对闸门进行了简谐荷载作用下的响应分析,分析结果验证了压杆的布置的有效性,尺寸设计满足规范,闸门整体刚度提升,闸门的应力和位移在静水荷载作用下有大幅度降低,闸门自振频率有所增大,简谐荷载作用下的响应值有所减少。