水流冲击及水下爆炸载荷作用下的钢制闸门流固耦合响应特性研究
发布时间：2021-08-02 06:51
近年来,随着我国综合国力不断增强,国民经济不断发展,水利工程作为利国利民的重要基础设施,其建设规模日益增大,使用条件也日益苛刻,水工钢闸门作为防洪、排涝和水资源利用工程中的重要结构物,其结构安全是保证水利工程正常运行的基础,本文结合我国北方的水库、水闸等水利工程中常用的平面定轮钢闸门设计,采用流固耦合计算方法,对我国北方典型的水工钢闸门的结构安全进行研究。闸门在运行过程中,除了会受到常规静水压力载荷作用,还会受到一些极端载荷作用,本文主要考虑两方面的载荷工况:一方面是闸门在泄洪时会受到水流冲刷载荷作用,在较大的水流冲刷作用下,闸门结构容易失稳,产生永久性的塑性损伤;另一方面考虑在进行水下爆炸爆破工程时或发生战争和遭到恐怖主义攻击时,闸门会受到水雷或水下爆破炸药等其他水下武器攻击,即受到水下爆炸载荷作用,一旦遭到水下爆炸攻击,将会对闸门结构产生致命性损伤,对水利设施下游的工程及人民群众的生命财产安全造成巨大的损失。因此本文主要针对水流冲刷和水下非接触爆炸两种主要的闸门破坏载荷进行计算方法研究,并给出数值计算结果。平面钢闸门（本文采用潜孔式平面定轮钢闸门）作为现在水利工程中应用最为广泛的闸...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－２双向流固耦合流程图??２．２水下爆炸流固耦合方法概述??基于流固耦合数值模拟方法是进行闸门水流冲刷和水下爆炸分析的最有效方式??
山东大学硕士学位论文??非流体的激励??Ｉ?——Ｔ——?ｉ流??界一?结构响应?一｜?界?！固??面?面Ｉ耦??｜?压?——－￣———｜?运?Ｉ合??力??流体响应??＾动?ｊ系??Ｉ????Ｉ?统??流体动力激励??图２－３流固耦合计算原理示意图??流固耦合处理是进行水下爆炸数值模拟的关键技术点，ＡＢＡＱＵＳ采用线形动量??守衡，耦合结构位移和流体压力，采用的平衡方程和连续性方程如下：??平衡状态：??ｖｐ＋ｒ｛ｘ，?ｅ，?）ｕｆ＋ｐｔ?（ｘ，?ｅ，?）ｕｒ?＝?ｏ?１）??连续性方程：??ｐ?＝?－Ｋｆ（ｘ，ｄｉ）Ｖ？ｕｆ?（２－２）??在结构和流体的界面采用任意朗格朗日欧拉方法，使用网格适应方法，采用多种??形状和不同密度网格进行有限元网格划分，通过“ｔｉｅ”可以实现结构位移和流体压力??的耦合计算。??冲击波加载??水下爆炸初始爆轰，产生入射冲击波，冲击波诱导产生气泡，冲击波与气泡产生??压缩波并驱动声波船舶，冲击波传播到结构表面，引起结构损伤。计算中确定爆心三??维坐标，通过自主编程得到水下爆炸载荷时历曲线。??Ｐ??＾＾??Ｊ?ｚ＾??°?．?ｔ＋?．?ｔ??图２－４水中压力波的Ｐ⑴曲线??１０??
?＊２０?０．０５?０?１?０?１５?０．２?０?２５?０?３??１＾??°ｖ?ＸＸ??〇?１?１?１?１?１?１??０?０?０５?０．１?０?１５?０?２?０?２５?０?３??ｍ?Ｉ?＇?＇?＇?＇????？１８?－?Ｉ??－１９?－?ｒ—??－??Ｊ??－２０??１?—＇?ｉ?—￣?１?１?１????０?０?０５?０１?０?１５?０２?０?２５?０３??Ｔｉｍ?ｅ（ｓ）??图２－５压力波、气泡的半径及迁移随时间的变化曲线??空化效应??冲击波传播到结构，会在结构表面发生发射，反射波诱导引起结构表面发生空化，??出现了空化现象的流体将不能传播声波，这对结构上受到的载荷会产生影响。采用双??线性流体模型来计算空化现象，当压力低于用户设定的一个极限压力时，就将保持常??数。??在节点上采用压力作为自由度，使得可以从入射波达到结构表面开始进行计算，??这样避免了波在未到达结构前的传播过程，不会增加计算的附加成本。??２．２．１空气欧拉体材料参数??空气的状态方程，采用ＬＩＮＥＡＲ—ＰＯＬＹＮＯＭＩＡＬ模型方程：??ｐ?＝?ｃ０＋Ｃ］Ｍ?＋?ｃ２ｊｕ２?＋?＋?（ｃ４?＋?ｃ５／ｕ?＋?ｃ６／／２）?￡?（２－３）??式中：??－１?（２－４）??Ｐｏ??Ｅ单位体积能量，其中：??＝?ｃ】＝＝?ｃ３?＝?＝?０?（２－５）??ｉｉ??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于流固耦合的闸下淹没出流流场瞬态分析[J]. 赵勇,郑圣义,蔡卫江,荣红,许栋. 水力发电. 2019(05)
[2]不同底缘形式的平板闸门水力特性数值模拟[J]. 刘昉,赵梦丽,冷东升,邢仕强. 水利水电科技进展. 2017(05)
[3]高水头附环闸门水力特性及闸门启闭力试验研究[J]. 文林森,王才欢,杨伟,陈东新. 水利与建筑工程学报. 2017(01)
[4]高水头平面钢闸门启闭力数值模拟研究[J]. 张冬,张燎军,陈超,郑宏伟,关超年. 水电能源科学. 2014(01)
[5]TNT炸药爆炸冲击波的数值模拟与实验研究[J]. 周保顺,张立恒,王少龙,高洪泉,胡健. 弹箭与制导学报. 2010(03)
[6]舰船局部结构在水下爆炸气泡载荷作用下的塑性变形分析[J]. 牟金磊,朱锡,黄晓明,张振华. 海军工程大学学报. 2010(03)
[7]水下爆炸载荷作用下舰船结构极限强度研究[J]. 陆晔,滕蓓,尹群,祁恩荣. 舰船科学技术. 2010(03)
[8]水下爆炸数值仿真研究[J]. 徐豫新,王树山,李园. 弹箭与制导学报. 2009(06)
[9]基于ABAQUS的船舶搁浅数值仿真研究[J]. 杨树涛,姚熊亮,张阿漫,朱永凯. 中国舰船研究. 2009(04)
[10]装药水下沉底爆炸压力场特性研究[J]. 金辉,张庆明,高春生,毛秋丹,溪慧魏. 科技导报. 2009(14)
博士论文
[1]高水头平面事故闸门动水关闭水动力特性及门槽水力特性研究[D]. 章晋雄.中国水利水电科学研究院 2013
[2]基于通用程序的水下爆炸及其对结构作用的数值模拟研究[D]. 贾宪振.南京理工大学 2008
[3]舰船结构在爆炸冲击载荷作用下的局部破坏研究[D]. 盖京波.哈尔滨工程大学 2005
硕士论文
[1]基于流固耦合数值模拟的深孔平面钢闸门底缘结构型式研究[D]. 张学森.西北农林科技大学 2011
[2]水下爆炸气泡动过程的数值模拟研究[D]. 逄春京.国防科学技术大学 2008
[3]水下爆炸过程及浅水效应数值模拟研究[D]. 肖秋平.南京理工大学 2008
[4]平面多定轮钢闸门结构分析[D]. 周军.河海大学 2007
本文编号：3317103
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－２双向流固耦合流程图??２．２水下爆炸流固耦合方法概述??基于流固耦合数值模拟方法是进行闸门水流冲刷和水下爆炸分析的最有效方式??
山东大学硕士学位论文??非流体的激励??Ｉ?——Ｔ——?ｉ流??界一?结构响应?一｜?界?！固??面?面Ｉ耦??｜?压?——－￣———｜?运?Ｉ合??力??流体响应??＾动?ｊ系??Ｉ????Ｉ?统??流体动力激励??图２－３流固耦合计算原理示意图??流固耦合处理是进行水下爆炸数值模拟的关键技术点，ＡＢＡＱＵＳ采用线形动量??守衡，耦合结构位移和流体压力，采用的平衡方程和连续性方程如下：??平衡状态：??ｖｐ＋ｒ｛ｘ，?ｅ，?）ｕｆ＋ｐｔ?（ｘ，?ｅ，?）ｕｒ?＝?ｏ?１）??连续性方程：??ｐ?＝?－Ｋｆ（ｘ，ｄｉ）Ｖ？ｕｆ?（２－２）??在结构和流体的界面采用任意朗格朗日欧拉方法，使用网格适应方法，采用多种??形状和不同密度网格进行有限元网格划分，通过“ｔｉｅ”可以实现结构位移和流体压力??的耦合计算。??冲击波加载??水下爆炸初始爆轰，产生入射冲击波，冲击波诱导产生气泡，冲击波与气泡产生??压缩波并驱动声波船舶，冲击波传播到结构表面，引起结构损伤。计算中确定爆心三??维坐标，通过自主编程得到水下爆炸载荷时历曲线。??Ｐ??＾＾??Ｊ?ｚ＾??°?．?ｔ＋?．?ｔ??图２－４水中压力波的Ｐ⑴曲线??１０??
?＊２０?０．０５?０?１?０?１５?０．２?０?２５?０?３??１＾??°ｖ?ＸＸ??〇?１?１?１?１?１?１??０?０?０５?０．１?０?１５?０?２?０?２５?０?３??ｍ?Ｉ?＇?＇?＇?＇????？１８?－?Ｉ??－１９?－?ｒ—??－??Ｊ??－２０??１?—＇?ｉ?—￣?１?１?１????０?０?０５?０１?０?１５?０２?０?２５?０３??Ｔｉｍ?ｅ（ｓ）??图２－５压力波、气泡的半径及迁移随时间的变化曲线??空化效应??冲击波传播到结构，会在结构表面发生发射，反射波诱导引起结构表面发生空化，??出现了空化现象的流体将不能传播声波，这对结构上受到的载荷会产生影响。采用双??线性流体模型来计算空化现象，当压力低于用户设定的一个极限压力时，就将保持常??数。??在节点上采用压力作为自由度，使得可以从入射波达到结构表面开始进行计算，??这样避免了波在未到达结构前的传播过程，不会增加计算的附加成本。??２．２．１空气欧拉体材料参数??空气的状态方程，采用ＬＩＮＥＡＲ—ＰＯＬＹＮＯＭＩＡＬ模型方程：??ｐ?＝?ｃ０＋Ｃ］Ｍ?＋?ｃ２ｊｕ２?＋?＋?（ｃ４?＋?ｃ５／ｕ?＋?ｃ６／／２）?￡?（２－３）??式中：??－１?（２－４）??Ｐｏ??Ｅ单位体积能量，其中：??＝?ｃ】＝＝?ｃ３?＝?＝?０?（２－５）??ｉｉ??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于流固耦合的闸下淹没出流流场瞬态分析[J]. 赵勇,郑圣义,蔡卫江,荣红,许栋. 水力发电. 2019(05)
[2]不同底缘形式的平板闸门水力特性数值模拟[J]. 刘昉,赵梦丽,冷东升,邢仕强. 水利水电科技进展. 2017(05)
[3]高水头附环闸门水力特性及闸门启闭力试验研究[J]. 文林森,王才欢,杨伟,陈东新. 水利与建筑工程学报. 2017(01)
[4]高水头平面钢闸门启闭力数值模拟研究[J]. 张冬,张燎军,陈超,郑宏伟,关超年. 水电能源科学. 2014(01)
[5]TNT炸药爆炸冲击波的数值模拟与实验研究[J]. 周保顺,张立恒,王少龙,高洪泉,胡健. 弹箭与制导学报. 2010(03)
[6]舰船局部结构在水下爆炸气泡载荷作用下的塑性变形分析[J]. 牟金磊,朱锡,黄晓明,张振华. 海军工程大学学报. 2010(03)
[7]水下爆炸载荷作用下舰船结构极限强度研究[J]. 陆晔,滕蓓,尹群,祁恩荣. 舰船科学技术. 2010(03)
[8]水下爆炸数值仿真研究[J]. 徐豫新,王树山,李园. 弹箭与制导学报. 2009(06)
[9]基于ABAQUS的船舶搁浅数值仿真研究[J]. 杨树涛,姚熊亮,张阿漫,朱永凯. 中国舰船研究. 2009(04)
[10]装药水下沉底爆炸压力场特性研究[J]. 金辉,张庆明,高春生,毛秋丹,溪慧魏. 科技导报. 2009(14)
博士论文
[1]高水头平面事故闸门动水关闭水动力特性及门槽水力特性研究[D]. 章晋雄.中国水利水电科学研究院 2013
[2]基于通用程序的水下爆炸及其对结构作用的数值模拟研究[D]. 贾宪振.南京理工大学 2008
[3]舰船结构在爆炸冲击载荷作用下的局部破坏研究[D]. 盖京波.哈尔滨工程大学 2005
硕士论文
[1]基于流固耦合数值模拟的深孔平面钢闸门底缘结构型式研究[D]. 张学森.西北农林科技大学 2011
[2]水下爆炸气泡动过程的数值模拟研究[D]. 逄春京.国防科学技术大学 2008
[3]水下爆炸过程及浅水效应数值模拟研究[D]. 肖秋平.南京理工大学 2008
[4]平面多定轮钢闸门结构分析[D]. 周军.河海大学 2007
本文编号：3317103
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