平面钢闸门流固耦合振动特性及稳定性研究

发布时间：2020-10-09 22:28

　　水是生命之源,生态之基,生产之要。水利工程是我国的重要基础设施,随着国内外高坝水库的建设与发展,作为水利水电工程泄水建筑物调节咽喉的水工钢闸门正向着高水头、大孔口、大泄量的大型化和轻型化方向发展,其安全灵活地运行决定着整个枢纽工程和下游人民生命财产的安全。闸门是水工建筑物的重要组成部分之一,它是关闭孔口及调节孔口开度的活动结构,按照实际需要用以挡水、调节上下游水位和过闸流量。在水利工程中,闸门振动问题长久以来一直难以得到较好的解决。水工闸门的振动是绝大多数水工建筑物破坏的根本原因,由于其结构和工作条件的复杂性,使得其在工程运行中存在着诸多安全稳定性问题。本文根据实际工程中存在的问题,结合山东省临沂市临沭县凌山头水库溢洪闸工程,研究平面钢闸门在流固耦合作用下的自振特性和水流脉动荷载作用效果,研究方法采用理论分析和数值模拟相结合。主要研究内容如下:(1)根据有限元理论,采用有限元数值计算的方法对该闸门的动力特性进行计算研究,建立基本的运动方程,计算流场内的动压力以及流体与结构接触面上的动压力。同时对闸门结构进行离散化,有有限元法解算结构的特征值及特征向量,即闸门结构的自振频率和振型。(2)利用有限元分析软件ANSYS建立闸门与水体耦合的有限元模型,根据软件的计算分析闸门结构在有水和无水状态下,不同开度状态下的自振特性和振型,分析闸门在不同开度下自振特性的规律。同时模拟闸门受到水流冲击力时其门体特征发生的一系列变化,并得出相应结论。结果表明,随着闸门开启程度的不断增大,即闸门迎水面水位不断降低,闸门的各阶自振频率均随之增大,各阶振型也随之变化。闸门受水体冲击下的影响时,闸门的应力变化规律、弹性应变变化规律、总应变变化规律大致相似。(3)根据平面钢闸门振动特性,并总结前人研究经验,提出一系列防振措施与稳定性优化方案。根据工程实例,合理布置闸门结构减振器,从而避免或减轻因危害性振动而产生的闸门破坏。本文通过理论分析与有限元数值模拟,对比分析,提出了相应的优化方案,以提高水工闸门运行中的稳定性,供实际工程参考,以便设计出危害性振动较小的闸门。
【学位单位】：山东农业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TV663.4
【部分图文】：

技术路线图,平面闸门,优化方案,影响规律

图 1 技术路线图Fig.1 Technical roadmap值模拟的方法总结了水体对平面闸门振动的影响规律出相应的稳定性优化方案，为实际工程提供指导，以便

溢洪闸,临沭县,启闭机房,除险加固工程

3km2。水库总库容 1502 万 m3，兴利库容 1113 万 m3，是一座以防洪、灌溉、城镇供为主，多年调节的中型水库。水库保护临沭县城和 5 个乡镇，以及 225 省道、327 等重要交通干线的防洪安全，影响范围内涉及 20 万人口，临沭县城是临沭县的经济心、文化中心，聚集了全县 80%以上经济实体，地理位置十分重要。凌山头水库枢纽工程由大坝、溢洪道（闸）、放水洞等组成。凌山头水库自 2000进行除险加固工程，其中溢洪道工程于 2000 年 11 月开工，2005 年 8 月完工；放水程于 2001 年 3 月开工，2001 年 7 月完工；大坝工程于 2001 年 4 月开工，2001 年完工；剩余工程于 2010 年 6 月开工，2010 年 12 月底竣工验收。凌山头水库溢洪闸始建于 1978 年，为 3 孔 10×6m 平面钢闸门，闸底高程 89.87m室长 12.6m，上游钢筋混凝土铺盖长 9.0m，下游钢筋混凝土陡坡段长 39.0m。1978闸时上部工程只设钢筋混凝土 T 型梁式机架桥，无启闭机房，1991 年在原机架桥建启闭机房，启闭机房为钢筋混凝土预制构件拼装结构。溢洪闸除险加固工程于 20 11 月开工，2005 年 8 月完工。

示意图,弹性薄板,示意图

m方程的特征值。限元分析平面钢闸门作为一个完整的空间弹性体，其外量传递分担。所以，要想精确地用有限元思的分析方法进行分析。立相关的空间有限元模型通常有两种思维方式，第二种则将闸门看作板壳和梁的组合体。在此，引入板壳单元，并作如下假设：即将材料看各向同性弹性板。空间三维坐标系，坐标系的 X 轴与 Y 轴分别直于薄板。且薄板厚度要远小于其长度与宽度宽度不会造成较大影响。

【参考文献】