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基于有限元分析的一体化闸门泵结构设计和优化研究.pdf
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1、中国新技术新产品2023 NO.9(上)-93-工 程 技 术随着水利工程的快速发展,闸门泵发挥的作用日益显著。但传统的设计方法多基于经验,难以达到高效的设计效果1,因此一体化闸门泵设计与优化成了研究重点。一体化闸门泵是一种新型的水力机械,以实现水位调节、排水及灌溉等多种用途。但一体化闸门泵的结构设计和优化是影响其性能和寿命的重要因素。张雪才等人2利用 ANSYS中的 APDL 参数化语言,给出了快速建立弧形闸门高质量几何模型和有限元模型的具体思路和相应 APDL 命令。姜明梁3针对卧式一体化泵闸的临界工作淹没深度过高的问题,设计了 3 种消涡装置以降低临界淹没深度,方案三较原方案降低了 58
2、%,效果显著。另外,王海峰4采用三维参数化计算模型,进行门叶厚度、板厚度等参数设计优化分析以及穿墙管、腹板薄弱处的加固分析。该文基于有限元分析模型优化一体化闸门泵结构设计,讨论了不同因素对一体化闸门泵结构的敏感性影响,并结合真机防腐试验结果,提出了一体化闸门泵的防腐措施。1 工程概况试验地区多年平均降水量为 1135.6mm 左右,降水量年际变化较大,最大年降水量 1602.9mm,最小年降水量 635.1mm。该地联防联控片规划防洪标准 100 年一遇、排涝标准 20 年一遇,应对极端天气风险能力全面提升。某闸站工程为 16m 防洪闸,设排涝泵水流量 45m3/s。考虑保护区内人口、城镇及工
3、矿企业的重要性、保护农田面积以及供水对象的重要性,综合确定工程等别为等,主要建筑物级别为 2 级,次要建筑物级别为 3 级,临时建筑物级别为 4 级。2 模型设计闸站工程包括泵站和节制闸,其中节制闸净宽为 16m,泵站规模为 45m3/s。节制闸闸室采用开敞式钢筋混凝土坞式结构,顺水流方向长度为 14.0m,边墩厚 1.20m,闸底板顶面高程为 0.00m,底板厚 2.0m。外河侧墩顶高程 6.0m,中部排架顶高程 10.5m,排架上设 5.75m 宽的工作桥(启闭机室),桥顶高程 12.10m,工作桥北端接泵站主厂房。该文采用参数化和接触连接的方法进行泵闸的三维建模。为了方便计算和网格划分,
4、建模时忽略倒角、螺栓孔、漏水孔以及锁定槽口等过小细节。对一体泵闸的泵体、支撑、腹板、边梁和闸门等主要受力结构进行单独建模。建模时,一体化泵闸的底部支撑和滑动模块采用 FGB 材料制成,并将这些部位假设为刚体,施加水流流动方向分和竖直方向的约束。闸体的止水采用聚四氟乙烯材料构成,施加弹性约束。闸门施加固定约束,模型共被划分为约 20 万个单元体。采用数值模拟计算叶轮传递力和闸门压力时,受力单元的法向和切向刚度的比例因子均取 1,取 0.05 的主段延伸率值。三维模型如图 1 所示。图 1 三维模型3 敏感性分析3.1 门叶厚度影响为研究门厚对一体化闸门振频的影响,该文设计门厚为550mm800m
5、m 的 6 种工况,施加 10 个阶段模态频率,分析不同模态频率作用下门厚与闸门振动频率的关系,研究结果如图2 所示。观察图 2 中的振频发展趋势可以看出,闸门的振动频率随着模态阶数的增长呈现出 4 个发展阶段。13 阶时,闸门的振动主要是由穿墙管位置处的弹性支撑引起的,这种支撑方式使穿墙管位置处的振动与门厚变化关系不大。第 4 阶时,闸门上部整体弯曲是受水流冲击力和自重作用力的结果,这种弯曲模态使闸门上部的刚度降低,因此随着门厚增加,上部刚度增加,振频也相应增加。第 5 阶时,闸门顶部两端翘曲是由于受到水流冲击力和自重作用力的不均匀分布导致的,这种翘曲模态使闸门顶部两端的刚度降低,因此随着门
6、厚增加,两端刚度增加,翘曲程度降低。第 610 阶时,闸门板结构振动是水流冲击力和自重作用力的局部激励引起的,这种板结构振动使闸门基于有限元分析的一体化闸门泵结构设计和优化研究黄冠杰(苏州市水利设计研究院有限公司,江苏 苏州 215011)摘 要:为延长一体化闸门泵的工程服役期限,该文基于有限元分析模型优化一体化闸门泵结构设计,讨论了闸门厚度、板结构厚度和穿墙管加固方式等因素对一体化闸门泵结构的敏感性影响,并结合真机防腐试验结果,提出了一体化闸门泵的防腐措施。研究结果表明,增加门叶厚度可有效提高闸门结构整体刚度。对区隔面积较大的面板增设腹板,可缩小门叶共振频域,显著增强区隔面板的抗变形能力。而
7、闸门结构板厚度增加可以有效降低高阶振频对面板、腹板的影响,提高闸门板结构的抗振性能。关键词:一体化闸门泵;有限元;结构优化中图分类号:TU735文献标志码:A中国新技术新产品2023 NO.9(上)-94-工 程 技 术表面产生局部应力集中和变形,因此随着门厚增加,板结构刚度增加,振频降低。通过以上分析,发现在一体化闸门设计中应该根据不同模态阶数选择合适的门厚,并考虑设置腹板结构来提高区隔面板的抗振性能。3.2 板结构厚度影响在闸门设计中,门叶板件厚度对闸门的质量、抗震能力以及结构强度有直接影响。由于平板式的钢闸门多采用焊接结构,因此为了方便加工,通常采用 2种型号的板件组合而成,板厚控制为
8、10mm20mm。使用板厚为 10mm 的钢板制成腹板和面板,然后搭配板厚 12mm 的钢板制成翼缘,通过焊接组装。对不同规格型号的板材组成的闸门,采用面板厚度+翼板厚度的形式标记不同闸门组合。该文设计的 7 种不同板厚闸门组合见表 1。表 1 闸门组合闸门组合1234567闸门标记T10-12T12-14T14-16T16-18T18-20T20-22T22-24根据高阶振频和低阶振频对板厚的影响分析,610 阶的高阶振频主要受面板、腹板的厚度影响,而振频较低的 15 阶振动频率则与板厚无关。因此,在保证闸门处于安全自振频域(1Hz20Hz)的前提下,需要选择合适的板厚组合,才能保证一体化闸
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