閘門水封計(jì)算及試驗(yàn)研究完成內(nèi)容資料

1、水勉水利工程閘門水封計(jì)算及試殮研老完成內(nèi)家武漢大學(xué)2013年4月1計(jì)算及試驗(yàn)研究方法高壓水頭閘門水封的止水效果與止水元件的斷面形式、材料性質(zhì)、水封彈性變形量、 殘余變形量、封頭的水密性、線壓與封頭接觸應(yīng)力的關(guān)系、止水裝置結(jié)構(gòu)形式等多種復(fù) 雜因素有關(guān)。我們的技術(shù)思路是：首先對(duì)高水頭閘門橡膠水封進(jìn)行大量的非線性仿真計(jì) 算，得出其應(yīng)力-應(yīng)變初步成果，然后再在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上對(duì)閘門使用條件下的水封 斷面進(jìn)行分析論證。水封橡膠類材料有其獨(dú)特的力學(xué)性能：超彈性，不可壓縮性，大變形等。在受到水 壓力作用下，止水橡皮會(huì)產(chǎn)生大變形，使得用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法難以定量地分析出止水橡皮 的應(yīng)力應(yīng)變值；運(yùn)用有限元分析方法對(duì)高

2、水頭閘門水封橡皮的止水全過程進(jìn)行仿真汁 算、分析止水橡皮止水過程橡皮應(yīng)力分布惜況、橡皮與鋼夾及接觸面之間的接觸應(yīng)力分 布情況，從而定性地研究止水橡皮的止水性能，從工程應(yīng)用的角度分析止水橡皮工作機(jī) 理過程，為設(shè)訃合理的止水橡皮形式提供有益的指導(dǎo)。1.1計(jì)算基本理論設(shè)(心123)為參考坐標(biāo)，兒(心123)是變形后的坐標(biāo)。在變形過程中，物體的任 一點(diǎn)的坐標(biāo)可以表示為：y = y(x,t)。設(shè)變形梯度為 G = ，右 Cauchv-Green 變形張量為C = G G,左 Cauchy-Green dx變形張量為B = GGreen應(yīng)變矩陣是 = -(C-Z)o2在t時(shí)刻時(shí)，超彈性材料的應(yīng)變能函數(shù)肥和

3、Cauchy應(yīng)力，只是變形梯度的函數(shù)， 即 We=We(G)o當(dāng)材料是各向同性時(shí)，應(yīng)變能函數(shù)通常寫成右Cauchy-Green變形張量矩陣的函數(shù)表 達(dá)式，矩陣的不變量叫做應(yīng)變不變量，分別為它們能夠在應(yīng)變能函數(shù)表達(dá)式 中變形梯度G的位置，表示由于材料的變形而產(chǎn)生的應(yīng)變能。則憶又可以寫成,W嚴(yán)憶(人,厶,厶)在式中，應(yīng)變不變量是：人=(C),Z2=|(/r(C)2-(/r(C2),/3 = det(C)(1)多數(shù)橡皮類材料都是屬于各向同性且不可壓縮的非線性彈性材料，在材料不可壓縮條件下，由于Z3=l ,所以應(yīng)變能實(shí)際上只是C的第一和第二不變量的函數(shù)，即 W嚴(yán)憶（人,厶）。為了獲得顯式應(yīng)變能函數(shù)，可

4、取初始構(gòu)型為參考構(gòu)形，而在此構(gòu)型中W, =0,C = Z,于是由式（1）可知I=trI = 3I2=（trI）2-trI）/2 = 3（2）鑒于在參考構(gòu)形中/,=；2=3,人們就把應(yīng)變能看作是人-3和厶-3的函數(shù)，提出 了一些顯式模型，這里采用的就是兩參數(shù)Mooney-Rivlin模型，應(yīng)變能函數(shù)為W=G（I 廠 3）+。2（1廠3） 材料的Cauchy應(yīng)力可以表示為：S = 2(oWe+人竺）-些旳T1斗6人di.(3)(4)(5)S = -pI + Se式中：p一一靜水壓力；I一一單位矩陣；偏應(yīng)力。1. 2計(jì)算有限元模型高水頭閘門水封設(shè)置在閘門周邊，剛性?shī)A板固定止水橡皮。當(dāng)閘門就位關(guān)閉時(shí)，

5、水 封自動(dòng)與磴封水面接觸并被壓縮達(dá)到封水的LI的。橡皮采用超彈性單元HYPER56號(hào)單元，該類單元采用混合位移一壓力表示形式， 適用于大變形、接近不可壓縮的橡膠類材料。在不可壓縮條件下，該單元允許使用混合 變分原理形成單元?jiǎng)偠染仃嚒傂詩(shī)A板和接觸面采用彈性單元PLANE42o在止水橡皮與剛性?shī)A板接觸的部位設(shè)置接觸對(duì)單元Targe 169和Contal71,接觸單 元是覆蓋在分析模型接觸面之上的一層單元。止水橡皮與剛性?shī)A板的接觸問題屬于剛體 柔體的面面接觸問題，為了給止水橡皮接觸問題建模，必須認(rèn)識(shí)到模型中的哪些部 分可能會(huì)相互接觸，例如橡皮兩側(cè)與夾板、橡皮封頭與接觸面之間可能發(fā)生接觸，有限 元模

6、型通過指定接觸單元來識(shí)別可能的接觸匹對(duì)。ANSYS支持剛體一柔體的面一面接觸單元，剛性面被當(dāng)作“LI標(biāo)”面，用Targe 169 來模擬2-D的“目標(biāo)”面，柔性體的表面被當(dāng)作“接觸”面，用Contal71來模擬。一 個(gè)H標(biāo)單元和一個(gè)接觸單元叫作一個(gè)“接觸對(duì)”。程序通過一個(gè)共享的實(shí)常號(hào)來識(shí)別“接 觸對(duì)X為了建立一個(gè)“接觸對(duì)”必須給LI標(biāo)單元和接觸單元指定相同的實(shí)常號(hào)。仿真計(jì)算過程分二個(gè)荷載步。笫一步，止水橡皮安裝完成后，施加背部壓力（線壓）, 即封頭擠壓栓封水面；第二步，施加零水荷載；第三步，按水頭計(jì)算，施加庫(kù)水圧力（封 頭測(cè)向壓力，按均布荷載考慮），模擬橡皮止水過程?？紤]接觸面和鋼板方向零位移

7、約束。1.3計(jì)算研究?jī)?nèi)容通過非線性有限元仿真計(jì)算硏究： 高水頭閘門水封止水元件的斷面形式、材料性質(zhì)、水封外伸變形量； 水封封頭的水密性（考慮接觸圧力）； 高水頭閘門水封線壓與封頭變形量、封頭接觸應(yīng)力的關(guān)系； 高水頭閘門水封啟閉過程中（高速水流作用下）的應(yīng)力和變形狀態(tài)； 高水頭閘門水封頭部壓縮量與接觸寬度的關(guān)系； 止水裝置（座板和夾板）結(jié)構(gòu)形式。1.4水封接頭扯斷試驗(yàn)水封接頭的物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)水封的使用效果影響較大，高壓水封的試驗(yàn)研究之前必 須準(zhǔn)確掌握這些情況。我們研究了四種材料（肢體橡膠、SF6474、SF6674、LD-19）的 橫接頭、45。斜接頭和T型接頭三種接頭型式，其接頭部位具體見圖1

8、。（b 45。斜接頭（a）橫接頭/輅結(jié)面-（c）T型接頭面1IIIII圖1拉伸試件接頭型式橡膠接頭拉伸試驗(yàn)的LI的是：通過試驗(yàn)測(cè)得不同型式橡膠接頭對(duì)應(yīng)的扯斷強(qiáng)度、破壞機(jī)理與型式，了解不同型式橡膠接頭扯斷強(qiáng)度的差異，以及對(duì)應(yīng)的破壞過程，以便在 實(shí)際工程中釆用最合理的水封接頭。1. 5水封預(yù)壓縮圧縮力試驗(yàn)為測(cè)定不同型式水封在不同預(yù)壓量下的預(yù)壓縮圧縮力，對(duì)各種型式的水封分別進(jìn)行預(yù)壓縮壓縮力的模型試驗(yàn)。試驗(yàn)中采用了兩種裝置：裝置一中，預(yù)壓縮力通過千斤頂加 載實(shí)現(xiàn)，山千斤頂逐級(jí)加載，荷載通過傳感器讀數(shù)，變形量山分布于止水面板上的四個(gè) 位移訃分別讀出并取平均值，試件縱向長(zhǎng)度為208mm,止水面板采用不銹鋼

9、板，如圖2(a)所示；裝置二是微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī),在固定壓縮量的情況下讀取相應(yīng)的預(yù)壓縮圧縮力，如圖2 (b)所示。 I/,圖2 (b)預(yù)壓縮實(shí)驗(yàn)裝置二示意圖圖2 (a)預(yù)壓縮實(shí)驗(yàn)裝置一示意圖1.6水封切片試驗(yàn)切片動(dòng)水試驗(yàn)是水封整體試驗(yàn)的前提準(zhǔn)備試驗(yàn)。切片試驗(yàn)的特點(diǎn)是水封在不同庫(kù)壓 與背壓的組合作用下可以更直觀、更準(zhǔn)確的研究水封的變形形態(tài)與變形過程。通過切片 動(dòng)水試驗(yàn)可以較直觀地研究：圓頭P60水封(SF6474. SF6674.高水頭橡膠水封)在 各種庫(kù)水壓力作用下的變形；山形水封在高庫(kù)壓(不低于2.2MPa)作用下的變形形 態(tài)；條形底水封在流速20m/s70m/s (6. 35MPa22

10、. 22MPa)的高速水流作用下的 變形形態(tài)。切片動(dòng)水試驗(yàn)在專門研制的水封切片試驗(yàn)槽里進(jìn)行，為減少試驗(yàn)槽的變形影響，試 驗(yàn)槽釆用鋼板板格結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)槽側(cè)面設(shè)有有機(jī)玻璃觀察窗，有機(jī)玻璃上刻有坐標(biāo)網(wǎng)格線 以度量水封在高速流水狀態(tài)下的變形量，試驗(yàn)槽頂板可上下變高以調(diào)整水封縫隙寬度， 見圖3和圖4。水封切片寬度為210mm,試驗(yàn)用3臺(tái)無級(jí)連續(xù)調(diào)壓離心泵供水，最大水壓230m,最大流量0.21m3/so可以采用兩種方式觀測(cè)封水情況：靜態(tài)模擬，止水前端與鋼板的預(yù)留間隙值分別為-6、-5、-4、6、8、10、12mm,先加背壓再加庫(kù)壓；動(dòng)態(tài)模擬封水過程，預(yù)留止水前端與鋼板的間隙-6、-5、-4、6、8、10、

11、12mm先 加庫(kù)壓再加背圧。圖3 切片試驗(yàn)槽外觀示意圖圖4 切片試驗(yàn)槽結(jié)構(gòu)組合示意圖1. 7水封整體試驗(yàn)在理論訃算和切片模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上確定較優(yōu)水封斷面和止水結(jié)構(gòu)形式（山設(shè)汁單 位認(rèn)可）對(duì)山形水封進(jìn)行整體模型試驗(yàn)論證研究。1. 7.1試驗(yàn)裝置上水?dāng)嗝孀冃翁匦跃谖倚ＫO(shè)計(jì)的專用大型試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。試驗(yàn)臺(tái)主要山高壓水 箱、承壓面板（活動(dòng)臺(tái)板）、加圧機(jī)、穩(wěn)壓器和各種控制、測(cè)量?jī)x器儀表組成。承壓面 板（1600mmX 1600mm）用以模擬閘門面板，它由傳力桿控制調(diào)節(jié)，可保持止水與閘門 之間所需的不同間隙：高壓水箱結(jié)構(gòu)形狀為長(zhǎng)方形，它的主要作用是模擬庫(kù)水壓力，它 山三臺(tái)高壓水泵和一些穩(wěn)壓器及相應(yīng)儀表控

12、制，可以進(jìn)行230m以內(nèi)的水壓試驗(yàn)。這套 裝置的特點(diǎn)是既可以做水封的靜水水密性試驗(yàn)，也可以做水封的開門動(dòng)水試驗(yàn)，試驗(yàn)荷 載 500to圖5 整體試驗(yàn)裝置示意圖1. 7. 2試驗(yàn)方法山不同配方的橡膠材料制成的水封試件，具有典型的粘彈性質(zhì)，止水橡皮的變形不 僅與所施加的荷重大小有關(guān)，還與施加荷重的歷史和速度有關(guān)，在彈性固體中應(yīng)力應(yīng)變 的所有狀態(tài)都是可逆的，對(duì)應(yīng)一定的應(yīng)力就有一定的變形，除去應(yīng)力則變形完全消失， 而對(duì)止水橡皮來說，它的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)并非都是可逆的。因此，試驗(yàn)中規(guī)定止水橡皮內(nèi) 腔充圧必須是山小到大的變化，而不能任意改變，預(yù)留間隙條件下的水密性試驗(yàn)，其間 隙值也必須按山小到大的順序進(jìn)行。1

13、.7.3水封外伸變形試驗(yàn)試驗(yàn)選用水封中心距為1150mmX 1150mm的框形水封試件（橫斷面模型比尺為1：1）,由水穩(wěn)壓器分級(jí)向止水內(nèi)腔充壓，壓力分別為0.02、0.04、0.06、2.10、2. 20MPa,在試件四個(gè)直線段中點(diǎn)和四個(gè)角段中點(diǎn)共布置八塊大量程白分表待橡皮變形 穩(wěn)定后量測(cè)其變形。止水橡皮在各級(jí)穩(wěn)壓條件下，其自由伸長(zhǎng)變形的歷史均較長(zhǎng)，為合 理確定一個(gè)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行不同壓力下止水橡皮伸長(zhǎng)變形與時(shí)間關(guān)系試驗(yàn)。1.7.4封頭壓縮量與接觸寬度試驗(yàn)止水前端與鋼板的預(yù)留間隙值分別為-6、-5、-4、6、8、10、12mm。向止水 內(nèi)腔分別充壓0.02、0.04、0.06、2.10、2. 2

14、0MPa,待壓力穩(wěn)定后測(cè)量水封頭壓 縮量及其與鋼板的接觸寬度。1. 7. 5水封水密性試驗(yàn)靜水試驗(yàn):選用框形止水試件，止水前端與鋼板的預(yù)留間隙值分別為-6、-5、- 4、6、8、10、12mm。由水穩(wěn)壓器向止水內(nèi)腔充壓,壓力分別為0.02、0.04、0.06、2.10、2. 20MPa,待壓力穩(wěn)定后向模擬的庫(kù)水壓力高壓水箱充壓，觀察止水漏水或射水 發(fā)現(xiàn)情況。動(dòng)水試驗(yàn)：承壓面板預(yù)留止水間隙2mm,先向水池大量供水開泵提壓，間隙產(chǎn)生 射流情況下，然后再加背壓，觀察止水元件的止水效果。這更符合閘門的實(shí)際運(yùn)行情況, 也是我們?cè)O(shè)訃高壓水泵的顯著優(yōu)點(diǎn)。2計(jì)算及試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容2. 1水封變形特性計(jì)算通過計(jì)算驗(yàn)

15、證不同材質(zhì)水封在各種庫(kù)水壓力作用下及啟閉過程中的應(yīng)力和變形。水 封材質(zhì)及庫(kù)圧分別為:表1水封材質(zhì)及庫(kù)壓水封型號(hào)材質(zhì)庫(kù)壓(MPa)圓頭P45SF6474、 SF66740. 01、0. 02、0. 03 0. 04、0. 05、0. 06、0. 07、0. 08、0. 09、0. 1、0. 15、0.2、0. 3、0.4、0.5、0.6、0. 70. 8、0. 9、1. 0圓頭P60SF6474、 SF6674、 高水頭橡膠水封0. 01、0. 02、0. 03、0. 04、0. 05、0. 06、0. 07 0. 08、0.09、0. 1、0. 15、0.2、0. 3、0.4、0.5、0.6、

16、0. 70. 8、0. 9、1. 0、1 2、1. 3、1.4、1. 5 1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.2、2.4、2.6、2.8、3. 0山形（充壓、 不充壓）SF6674.高水頭 橡膠水封0. 01、0. 02、0. 03 0. 04、0. 05、0. 06、0. 07、0. 08、0.09、0. K 0. 15% 0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0. 70. 8 0. 9、1.0、1. 2 1. 3、1.4、1.5、1. 6 1 7、1.8、1.9、2.0、2.2、2.4、2.6、2.8、3. 0方頭P60SF6674、高水頭 橡膠水封0. 01、0. 02、0.

17、03、0. 04、0. 05、0. 06、0. 07、0. 08、0. 09、0. 1、0. 15、0.2、0. 3、0.4、0.5、0.6、0. 70. 8、0. 9、1. 0、1. 2 1. 3、1 4、1. 5、1.6、17、1.8、1.9、2.0、2.2、2.4、2.6、2.8、3. 0L形SF6474、 SF66740. 01、0. 02、0. 03、0. 04、0. 05、0. 06、0. 07. 0. 08、0.09、0. 1、0. 13、0. 2、0. 25 0.3、0. 4條形底水封SF6474、 SF6674、 高水頭橡膠水封0. 01、0. 02、0. 03 0. 04、

18、0. 05、0. 06、0. 07、0. 08、0.09、0. 1、0. 15、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0. 70.8、0.9、1.0、1.2 1.3、1.4、1.5、1.6、1.71.8、1.9、2.0、2.2、2.4、2.6、2.8、3. 0雙P形水封 （墊寬：80、 105、 130mm）SF6474. SF66740. 01、0. 02、0. 03、0. 04 0. 05、0. 06、0. 07、0. 08、0. 09、0. 1、0. 15、0. 22.2水封水密性特性訃算驗(yàn)證各水封在各種庫(kù)水壓力作用下能否可靠止水，計(jì)算當(dāng)水封頭部與止水座面預(yù)壓不同時(shí)、各種庫(kù)水圧力水封與

19、止水面之間的接觸寬度和接觸應(yīng)力。表2 水封預(yù)壓縮量水封型號(hào)預(yù)壓縮量/水封間隙量（mm）庫(kù)壓(MPa)圓頭P45-12、 -10、 -8、 -6、 -4、 -2、0 1、 2、 3、 4、 50. 01 0. 02、0. 03、0. 04、0. 05、0. 06、0. 07、0. 08、0. 09 0. 1、0. 15 0.2、0.3、0.4、0. 5 0. 6、0. 7、0 8、0.9、1. 0圓頭P60一12、 一10、 一8、 -6、 一4、 一2、0 1、 2、 3、 4、 5、 60. 01 0. 02、0. 03、0. 04、0. 05、0. 06、0. 07、0. 08、0. 09

20、 0. 1、0. 15 0.2、0.3、0.4、0. 5、0. 6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.2、1.3、1.4、1.5、1. 6、1.7、1.8、1.9、20、2.2、2. 4、2. 6、2. 8、3. 0山形（充壓、 不充壓）一12、 一10、 一8、 -6、 一4、 一2、0、 1、 2、 3、 4、 5、 60. 01、0. 02、0. 03、0. 04、0. 05、0. 06、0. 07、0.08、0.09、0. 1、0. 15 0.2、0.3、0.4、0. 5 0.6、0. 7、0.8、0.9、1.0、1.2、1.3、1.4、1.5、1. 6、1.7、1.8、1.9、20

21、、2. 22. 4、2. 6、2. 8、3. 0方頭P600、 1、 2、 3、 4、 5、 60. 01、0. 02、0. 03、0. 04、0. 05、0. 06、0. 07、0. 08、0.09、0. 1、0. 15 0.2、0.3、0.4、0. 5 0.6、0. 7 0.8、0.9、1.0、1.2、1.3、1.4、1.5、1. 6、1.7、1.8. 1.9、20、2.2、2. 4、2 6、2. 8、3. 0L形10 、 15 、 20 、 250. 01、0. 02、0. 03、0. 04、0. 05、0. 06、0. 07、0. 08、0. 09% 0. 1、0. 15 0.2、0.25、0.3、0.4條形底水封2、 4、 6、 8. 10、 12、 14、16、 18、 200. 01、0. 02、0. 03、0. 04、0. 05、0. 06、0. 07、0. 08、0. 09a 0. 1、0. 15 0.2、0.3、0.4、0. 5 0. 6、0.7、0.8、0. 9 1.0、1.2、1.3、1.4、1.5、1. 6、1. 7 1.8、1.9、2.0、2.2、2. 4、2 6、2. 8