1、 2023 NO.4 建 筑 与 土 木SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION某升船机闸首结构应力分析孙世威(杭州国电机械设计研究院有限公司 浙江杭州 310000)摘要：该文主要是使用Hypermesh对某升船机闸首结构进行前处理，然后使用ABAQUS软件对该结构的1/2模型进行求解。为了解闸首结构运行全过程应力位移及止水情况，在求解过程中使用了铰链单元并施加驱动，模拟了闸首结构卧倒小门从完全打开到关闭，然后充水被压紧的全过程。通过对闸首运行全过程的模拟，明确了闸首结构设计中所存在的薄弱部分，对
2、其优化设计，并再次进行计算，最终满足相关设计要求。关键词：ABAQUS 铰链 闸首 应力中图分类号：O328;TB535+.1文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2023)04-0088-05Stress Analysis of the Lock Head Structure of a Ship LiftSUN Shiwei(Hangzhou State Power Machinery Research&Design Institute Co.,Ltd.,Hangzhou,Zhejiang Province,310000 China)Abstract:In this paper,Hy
3、permesh is mainly used to pre-process the lock head structure of a ship lift,and then ABAQUS software is used to solve the 1/2 model of the structure.In order to understand the stress displacement and water stop situation in the whole operation process of the lock head structure,the hinge element is
4、 used and driven in the solution process,and the whole process of the inverted small door of the lock head structure is simulated from complete opening to closing and then filled with water and pressed.Through the simulation of the whole running process of the lock head,the weak parts in the structu
5、re design of the lock head are identified,the design is optimized,and calculation are carried out again to finally meet the relevant design requirements.Key Words:ABAQUS；Hinge;Sluice head;Stress采用铰链单元对闸首设备进行全过程动态分析，得到闸首设备运行全过程应力位移情况。同时采用离散刚体和接触对部分不关注结构进行建模，避免了常规约束带来的应力集中，更好地判断闸首结构运行全过程中应力变化1-2。1 工程背
6、景某水电站升船机闸首结构为承船厢的配套对接密封设施，要求挡水高度为12.4 m。在挡水的同时，该闸首需满足两种运行工况，一种是钢丝绳吊挂，一种是闸首自身锁定机构锁定在轨道上，结构如图1所示。2 有限元模型建立采用Solidworks建立闸首结构的三维简化模型，并采用Hypermesh对模型进行网格划分，建立有限元模DOI：10.16661/ki.1672-3791.2208-5042-8869作者简介：孙世威（1986），男，硕士，高级工程师，研究方向为钢结构。图1 闸首结构模型88建 筑 与 土 木 2023 NO.4 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATIONSCIENC
7、E&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯科技资讯型。由于该闸首结构为对称结构，故该文只建立1/2模型，闸首共采用324 830个单元，单元类型采用S4R壳单元，C3D8I实体单元，单元尺寸为70 mm，单元质量如图2所示。模型采用t、mm、s、N、MPa、N-mm单位制。其中材料参数为：密度=7.85109 t/mm3，弹性模量E=2.08105、泊松比0.3，重力加速度为g=9.8103 t/s2，同时经查询图纸，该桥机主梁材料为Q355C，计算中采用塑性阶段曲线，如图3所示。闸首结构中卧倒小门上的密封橡胶材料根据DL/T5018附录N，取邵氏硬度60，并采用Mooney-r
8、ivlin模型3-4对橡胶进行模拟，参数如表1所示。图2 有限元模型与单元质量图3 材料塑性曲线表1 密封橡胶材料参数C100.494 7C010.063 9D10.001 739 13表2 主要计算荷载编号LS1LS2LS3LS4载荷水压力-正常水深闸首结构自重卧倒门油缸挤压力工作门启闭荷载载荷大小及加载位置H12.45 m，相应水压力作用于相应腹板、铺板、面板上重力加速度-9.8 N/kg，施加于船厢模型上按卧倒门水封橡胶压缩3 mm考虑对应荷载施加在支座上89 2023 NO.4科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION 建 筑 与 土 木SCIENCE&TEC
9、HNOLOGY INFORMATION科技资讯3 计算工况及边界条件闸首结构的主要设计工况为：LC1为钢丝绳将闸首工作大门吊起挡水状态；LC2为闸首工作大门靠两侧锁定锁住挡水状态；LC3为闸首工作大门无水状态下关门过程。分析中考虑的主要荷载与约束列于表2和表3。各计算工况下，荷载与约束组合列于表4。4 计算结果LC1工况下应力及位移云图如图4所示。LC2工况下应力及位移云图如图5所示。图4 闸首LC1工况下应力及位移云图表3 主要约束编号BC1BC2BC3BC4约束钢丝绳吊耳竖向约束主轮y向接触对称约束（YZ平面）两侧翅膀垂直方向约束作用位置耳孔参考点座面模型YZ平面边缘座面表4 主要约束编号
10、LC1LC2LC3荷载组合LS1+LS2+LS3LS1+LS2+LS3LS2+LS4约束组合BC1+BC2+BC3BC2+BC3+BC4BC1（4）+BC2+BC3图5 闸首LC2工况下应力及位移云图90建 筑 与 土 木 2023 NO.4 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATIONSCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯科技资讯LC3工况下应力及位移云图如图6所示。卧倒小门最后关闭转角为90 时，密封橡胶的压力云图如图7所示。从图7可看出，卧倒小门在刚刚关到位时，密封橡胶上的压力比较符合常规要求，在底部压缩量较大，上部较小。承受水压后，受压部位
11、集中到橡胶侧边，底部橡胶反而没有压缩量，会导致漏水。因此，在实际安装调试时，橡胶底部部位经常会被安装单位垫起以达到止水目的。在建模计算时，在模型相关边界约束自由度方面以离散刚体模拟不关心的设施，然后建立接触关系，这样就避免了自由度约束带来的应力集中5-7。图8是闸首主轮处以接触代替SPC约束的应力云图。5 结语在结构设计中建议灵活采用铰链单元，这样可分析设备运行全过程的应力变化。同时由于设计阶段对图6 闸首LC3工况下应力及位移云图91 2023 NO.4科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION 建 筑 与 土 木SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMA
12、TION科技资讯于设备重点区域不清晰，通常会对结构全模型区域应力异常点都比较关心，因此，建议尽量采用离散刚体和接触关系代替通常的SPC接触，这样可避免SPC约束带来的应力集中，导致设计误判。参考文献1 曾娜.轮式起重机超起结构有限元工况分析J.建设机械技术与管理,2021,34(5):72-75.2 何国旗,唐洋洋.城市街道上方立体车库钢结构分析及优化J.机械设计与制造,2022(7):261-264,269.3 王伟,邓涛,赵树高.橡胶Mooney-Rivlin模型中材料常数的确定J.特种橡胶制品,2004(4):8-10.4 张天,霍永鹏,吴悦,等.过江盾构隧道止水密封垫力学性能试验及数值模拟J.铁道建筑,2022,62(5):128-133.5 李雪婷,叶君超,黄远明,等.往复压缩机底座结构有限元静力学分析及优化J.压缩机技术,2021(6):8-12.6 徐志伟.海上风电升压站平台设计及有限元计算分析J.内蒙古电力技术,2022,40(1):44-48.7 姬方方,王斌华,秘嘉川.上行式移动模架横梁结构有限元分析J.机械研究与应用,2022,35(1):69-71.图7 卧倒小门关到位/卧倒小门关到位承受水压图8 闸首主轮处不同约束类型应力云图（SPC约束/接触约束）92
