承船廂結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形空間有限元分析研究

精品文檔-下載后可編輯承船廂結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形空間有限元分析研究1概況

巖灘水電站垂直升船機采用船廂入水運行方式，升船機承船廂的正常升降運行過程包括：

(1)主提升機通過鋼絲繩帶動船廂升降。

(2)船廂上升至預(yù)定位置后，安裝在船廂上的夾緊裝置夾緊、頂緊裝置頂緊。

(3)上閘首工作閘門上的U型對接密封裝置與承船廂對接密封，并對間隙充水。

(4)開啟設(shè)在工作閘門上和承船廂上游端的臥倒門，承船廂內(nèi)水體與上游水域連通。

(5)船舶駛進(jìn)或駛出船廂。

(6)關(guān)閉工作閘門和船廂上游端的臥倒閘門。

(7)泄掉間隙水體。

(8)對接U型密封裝置脫離。

(9)夾緊裝置、頂緊裝置松開。

(10)承船廂下降至船廂池內(nèi)，與下游水位平齊。

(11)平壓后，開啟承船廂下游臥倒閘門。

(12)船廂內(nèi)水體與下游水域連通。

(13)船舶駛進(jìn)或駛出船廂。

(14)關(guān)閉承船廂下游端臥倒閘門。

重復(fù)上述(1)～(14)步驟實現(xiàn)上、下游通航。

2承船廂結(jié)構(gòu)的主要特點

承船廂是升船機的容船設(shè)備，有效水域尺寸按1×250t級船只的尺度確定，有效長度40m，有效寬度10.8m，設(shè)計水深(1.8±0.1)m。綜合考慮承船廂的交通，設(shè)計安裝、維護(hù)和本身強度剛度要求等因素后，承船廂的外形尺寸確定為長×寬×高=48.5m×16.3m×4.4m。設(shè)計載水承船廂的總重量為1430t,其中載水量965t，結(jié)構(gòu)自重332.19t，設(shè)備總重132.81t。承船廂結(jié)構(gòu)的主要特點可概括為：長凹槽形組合薄壁鋼結(jié)構(gòu)；主體結(jié)構(gòu)采用2根主縱梁和21根主橫梁形成梁格體系，船廂主縱梁為高腹板工字形截面、兩側(cè)沿主縱梁各設(shè)置24根鋼絲繩，通過液壓平衡油缸鉸接于主梁翼板的吊耳上，另設(shè)置有8根鋼絲繩通過吊桿鉸接于主縱梁翼板的吊耳上；沿船廂全長布置21根工字形斷面的主橫梁，其兩端分別與主縱梁焊接；由主縱梁內(nèi)側(cè)及主橫梁上鋪設(shè)U形鋼板形成凹槽，并與船廂兩端的臥倒門組成容水箱體。為了增加U形鋪板的局部強度，在鋪板的底部和兩側(cè)，沿主縱梁長度方向共布置15根角鋼小梁，小梁與鋪板焊接，以主橫梁為支座形成多跨連續(xù)梁。在主縱梁上翼板鋪設(shè)寬為2.75m的鋼板，與主縱梁上翼板焊接構(gòu)成工作平臺，當(dāng)船廂兩端的臥倒門關(guān)閉時，工作平臺與臥倒門頂梁腹板組成環(huán)形通道。同時，在鋪板底部，沿主縱梁方向布置4根角鋼小梁，加強平臺鋪板的局部剛度。為了滿足船廂出入水時補氣與排氣，在離船廂底部3.8m處的兩主縱梁腹板上各設(shè)有若干Φ300mm的通氣孔。

綜上所述，承船廂結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了解承船廂結(jié)構(gòu)變形趨勢與應(yīng)力分析，武漢水利電力（大學(xué)）與廣西電力工業(yè)勘察設(shè)計研究院密切配合，完成了對承船廂結(jié)構(gòu)整體的空間有限元應(yīng)力與變形分析，以便對結(jié)構(gòu)的強度、剛度作出評估。

3主要研究內(nèi)容和計算條件

3.1主要研究內(nèi)容

巖灘水電站垂直升船機的承船廂結(jié)構(gòu)在不同的工作狀態(tài)下其受力狀態(tài)不同。采用有限元分析可以模擬和得到承船廂結(jié)構(gòu)在不同工作狀態(tài)的應(yīng)力和變形規(guī)律及分布趨勢。分析過程包括建立符合實際結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)和特點的有限元計算模型，完成承船廂進(jìn)行空間整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形分析，準(zhǔn)確取得承船廂整體結(jié)構(gòu)在各種運行狀態(tài)下的變形狀態(tài)和應(yīng)力分布情況，對船廂結(jié)構(gòu)的安全度提出結(jié)論性意見，對結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性提出修改性意見；并在整體計算模型的基礎(chǔ)上，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，然后對承船廂優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力、變形和穩(wěn)定計算。

3.2有限元離散模型

承船廂結(jié)構(gòu)的主縱梁、主橫梁、鋪板、門框等薄壁結(jié)構(gòu)均按空間板單元離散，另外，在夾緊、頂緊吊耳部位，也按空間板單元離散，加肋小梁按偏心梁處理。有限元離散模型中的單元部分考慮了結(jié)構(gòu)的對稱性，實際計算中，重要結(jié)構(gòu)部位的單元類型和單元數(shù)見表1。

表1有限元離散模型的單元類型和單元數(shù)匯總表

組號結(jié)構(gòu)部位

單元類型單元數(shù)1隔板、大小肋板板287×2×22力矩繩邊界單元12×2×23U型鋪板人行面板板371×2×24主縱梁上翼緣和腹板板238×2×25主橫梁腹板、臥倒門框板498×2×26小縱梁梁387×2×27主橫梁的下翼緣桿40×2×28人行走面板邊拉桿桿6×2×2

對稱工況下，相應(yīng)部位的單元數(shù)可以減半。整體計算模型的單元總數(shù)為6208；節(jié)點總數(shù)4400；總有效自由度數(shù)約為26000，其計算規(guī)模相當(dāng)可觀；采用美國ALGOR公司的SuperSAP通用結(jié)構(gòu)分析軟件完成全部計算工作。

3.3荷載條件

作用在承船廂結(jié)構(gòu)上的荷載比較復(fù)雜，為了便于采用有限單元法模擬承船廂在正常運行和非正常運行工況下受力情況，簡化后其主要荷載條件如下：

(1)承船廂結(jié)構(gòu)自重、設(shè)備重；

(2)正常水深和非正常水深時載水體重；

(3)縱、橫向?qū)л唹毫湍ψ枇Γ?/p>

(4)靜力平衡繩拉力和力矩平衡繩拉力；

(5)對接過程中產(chǎn)生的水壓力，頂緊力及其反力、夾緊力及其摩阻力；

(6)臥倒門關(guān)閉時的啟閉力、門重及水壓力；

(7)沉船荷載和沖擊力；

(8)檢修狀態(tài)下的鎖錠座斜撐反力。

3.4計算工況組合

根據(jù)設(shè)計要求，對兩種設(shè)計方案分別完成初步設(shè)計方案工況組合20種(見表2)和局部修改設(shè)計方案工況組合11種(見表3)。

表2初步設(shè)計方案工況組合名稱表

工況組合名稱說明1承船廂正常升降運行取1/4計算2承船廂對接過程(一)：頂緊階段1/2計算3承船廂對接過程(二)：夾緊階段1/2計算4承船廂對接過程(三)：充水階段1/2計算5非正常工況(一)：對接完畢后承船廂臥倒門受行船沖撞力1/2計算6非正常工況(二)：正常升降時有一根力矩繩斷(1)7非正常工況(三)：正常升降時有一根力矩繩斷(2)8非正常工況(四)：正常升降時有一根力矩繩斷(3)9非正常工況(五)：正常升降時有一根力矩繩斷(4)10非正常工況(六)：正常升降時有一根平衡繩斷11非正常工況(七)：船舶在承船廂中沉沒事故12非正常工況(八)：對接完畢后船廂水滿13檢修工況(一)：1個支點懸空3個支點約束14檢修工況(二)：1個支點沉陷20mm3個支點約束15檢修工況(三)：支角2個支點懸空2個支點約束16檢修工況(四)：對角2個支點沉陷20mm2個支點約束17非正常工況(九)：1/4部分對邊力矩繩斷裂失效18優(yōu)化方案(一)：修改臥門框剛度19優(yōu)化方案(二)：減薄15號主橫梁的厚度至10mm20臥倒門結(jié)構(gòu)及反力計算(計算超靜定反力)表3優(yōu)化設(shè)計方案工況組合名稱表

工況組合名稱說明1(修)承船廂正常升降運行取1/4計算17(1)對角1/4荷載與另一對角1/4荷載之比為1∶1.00017(2)對角1/4荷載與另一對角1/4荷載之比為1∶1.05317(3)對角1/4荷載與另一對角1/4荷載之比為1∶1.16317(4)對角1/4荷載與另一對角1/4荷載之比為1∶1.23117(5)對角1/4荷載與另一對角1/4荷載之比為1∶1.35617(6)對角1/4荷載與另一對角1/4荷載之比為1∶1.47217(7)對角1/4荷載與另一對角1/4荷載之比為1∶1.687穩(wěn)(1)4號主橫梁局部穩(wěn)定計算穩(wěn)(2)9號主橫梁局部穩(wěn)定計算22臥倒門結(jié)構(gòu)及反力計算(計算超靜定反力)

計算工況已經(jīng)包括承船廂結(jié)構(gòu)在正常運行時升降、頂緊、夾緊、對接與充泄水、臥倒門開啟和非正常運行時沖撞、沉船、力矩繩不均勻受力、斷繩、關(guān)鍵設(shè)備的制安誤差以及檢修維護(hù)時的各種受力條件的分析?？梢哉f有限元分析已經(jīng)模擬了承船廂結(jié)構(gòu)的各種可能發(fā)生的運行情況。4主要計算成果

4.1承船廂的整體變形情況

承船廂由主橫梁、主縱梁構(gòu)成薄壁結(jié)構(gòu)體系，尤其是主縱梁采用了單腹板設(shè)計，以適應(yīng)承船廂出入水要求；加上升降、對接、夾緊、頂緊和充泄水等多種不同工況的組合，不能使整個承船廂的變形不允許偏差過大，否則，難以完成運行過程的各種動作，故設(shè)計中對承船廂的剛度要求較高。

4.1.1主縱梁的撓度相對扭轉(zhuǎn)變形

主縱梁上通過吊耳作用有靜力繩和力矩