大型平面钢闸门流激振动模型试验与数值模拟

针对大型平面钢闸门的流激振动问题,制作了大型平面钢闸门的水工模型,通过水力学试验研究了闸门脉动压力特性;并制作弹性相似模型,采用试验模态分析法研究闸门的结构动特性、运用三维有限元数值模拟手段计算闸门的自振特性.对比发现,闸门自振频率的计算值与试验值非常接近,振型完全一致,通过数值计算可考察流固耦合效应对闸门动特性的影响.基于水力学试验采用动力时程方法计算了闸门流激振动响应,评价了闸门的抗振安全,可为闸门结构的优化设计提供依据.     

基于CEL理论的弧形闸门流固耦合的数值模拟

针对弧形闸门结构受力复杂且受水流脉动压力作用可能发生剧烈振动而发生破坏的问题,以某水电站泄洪冲沙工作闸门为例,采用耦合欧拉-拉格朗日理论（CEL）,利用有限元软件ABAQUS建立水体-闸门流固耦合模型,综合考虑了流激振动对水工金属闸门启闭过程中的闸门变形和动态响应的影响,获得了闸门振动位移、应力和接触力等的变化分布规律。结果表明,该方法可较准确地评价水工金属闸门的安全性和结构设计的合理性,为同类结构的设计评价提供了参考。     

基于模态分析和遗传神经网络的闸门锈蚀损伤研究

闸门结构破坏的主要形式为钢结构的失稳破坏，而钢材的锈蚀势必会造成钢闸门结构动力性能的不稳定。鉴于水动力作用对闸门的动力性能有重要影响，综合考虑水体流固耦合作用对弧形闸门进行动力分析，选取支臂进行锈蚀损伤模拟。在支臂局部锈蚀即小面积锈蚀情况下，应用应变模态这一局部评价指标可以明确判断出闸门的锈蚀位置，结合遗传神经网络有效预测，可以分析出该锈蚀位置后续损伤引起的应变模态数值变化，确定该位置的锈蚀影响率。当锈蚀影响率超过60%时，会引起闸门斜腹杆沿垂直杆轴方向的振动破坏形式，为弧形闸门损伤的评估判定提供依据。     

蒙城弧形钢闸门的三维数值分析

基于有限元分析软件ANSYS建立了蒙城船闸上游弧形钢闸门的三维数值模型,计算分析了船闸在各种工况下的闸门应力、位移挠度等静力特性.并对弧形闸门进行了模态分析,计算了闸门在不同开度下的自振频率.     

我国低水头弧形钢闸门失事原因初探

弧形钢闸门是水工建筑物中运用最广的门型之一.建国以来,我国水利水电工程采用的弧形钢闸门约占钢闸门总数的三分之一.这些弧门经过长期运行,绝大多数经受了设计条件的考验,运用性能良好.但是,早期建造的部分水库溢洪道和水闸低水头弧门,由于种种原     

基于和谐度方程的水工钢闸门健康评价

为准确评价水工钢闸门的健康状态,根据水工钢闸门实际情况,从安全性、适用性和耐久性多方面建立健康评价指标体系,采用模糊层次分析法(FAHP)对评价指标综合赋权,通过计算评价指标和谐度(HHD),构建基于和谐度方程(HDE)的水工钢闸门健康评价模型,实现水工钢闸门健康状态的单因子评价与综合评价的统一。经实例分析,该模型实现过程简单,评价结果可靠,验证了和谐度方程评价法在水工钢闸门健康评价中的适用性,也为类似工程提供了新思路。     

船舶撞击作用下弧形闸门的动力响应

为得到水工弧形闸门正常运行时在船舶撞击作用下的动力响应,预测了闸门可能出现的破坏模式,评价了闸门结构安全并探寻有效的防护措施,采用非线性有限元数值方法,考虑闸门材料的弹塑性、失效及结构大变形,模拟船舶正面撞击弧形闸门过程,分析了弧形闸门结构瞬态动力响应。计算结果表明,闸门结构安全防护重点区域为垂直隔板、边梁与上主横梁相交的部位,闸门支臂结构的振动明显,其动力稳定性问题需引起重视,并提出加大隔板、边梁的梁高,提高钢材强度,增设加劲板及在闸门上游适当高程设置横跨于闸室的柔性防撞缆索,以吸收撞击船动能,减小撞击荷载等安全防护措施。     

在役大型水工弧形闸门结构静强度与模态分析

为保证在役大型弧形闸门安全稳定运行，以葛洲坝工程水工弧形闸门为例，利用有限元分析软件，按设计水头对其进行静力学强度和模态分析，得出闸门最大应力集中点及变形情况，并根据自振频率、振型和最大变形位移判断闸门振动强弱。结果表明，闸门设计总水压力与理论计算偏差为4.7%,在5.0%误差控制范围内，弧形闸门整体最大应力为373.86 MPa、变形为12.938 mm,强度和刚度均能满足现行规范设计要求，面板底部存在局部应力集中，闸门整体振动变形量小于0.508 mm,振动强度不大，只有低阶频率出现在水流脉动压力的高能区，其发生共振的可能性小。     

基于改进随机子空间法的弧形闸门模态参数辨识

针对弧形闸门模态参数测试过程中存在的计算误差及环境激励干扰导致的虚假模态等问题,提出改进随机子空间法,即在弧形闸门模态参数辨识过程中引进随机子空间法,并利用时频分布——Gabor展开作为数据前处理,采用特征参数随数据量增加而变化的稳定图有效区分了物理模态和虚假特征,剔除虚假模态,辨识弱小特征,提高了辨识精度。以某水电站泄洪表孔弧形闸门为例进行模态参数辨识,并与有限元结果进行比较。结果表明,改进随机子空间法辨识结果与有限元数值分析结果吻合较好,可见所提方法可行、有效。     

弧形钢闸门三维有限元优化分析

为探寻弧形钢闸门在静水压力作用下未开启状态的应力及变形规律,并在此基础上探寻改良优化措施以保障闸门运行安全,通过ABAQUS软件对某水库弧形钢闸门进行三维有限元应力、变形分析,由闸门在静水压力作用下应力及变形分布规律,得出面板及主横梁—支臂接缝处存在较大应力区。为此,从改善截面属性角度出发,针对主横梁—支臂接缝处应力集中现象提出加厚支臂及加角钢两种工程处理方式,发现闸门支臂最大应力区向支座处上移及整体应力减小现象,由此可得两种工程处理方式均能有效改善闸门支臂受力情况并保障工程安全,但从施工操作及改善效果而言,推荐采用加角钢的方式对闸门进行局部处理。     

基于层次分析法和模糊综合评价的水工钢闸门安全评估

鉴于水工钢闸门的安全状态评价需要考虑闸门运行情况、腐蚀情况、强度、刚度、动态性能等多方面的因素,提出了基于层次分析法和模糊综合评价的水工钢闸门安全评估方法。首先构建了水工钢闸门评估体系层次结构,然后根据层次分析法定性和定量确定了各影响因素的权重,最后建立了模糊综合评价模型对某水利工程水工钢闸门的安全状态进行了全面评价,评价结果为二类等级,比较准确地反映了闸门的实际安全状态。     

大跨度弧形闸门静动力学数值分析

针对大跨度弧形闸门结构受力复杂且易发生弯曲变形和振动问题,采用有限元软件ANSYS对弧形闸门进行分析计算,对闸门主要部件的应力状态及变形情况进行了校核,分析了闸门自振频率的影响因素,全面评估了闸门的安全性能。并以目前国内跨度最大的某弧形闸门为研究对象,对不同工况下闸门的刚度和强度进行了计算,考虑流体与闸门之间的流固耦合作用,利用附加水体法分析了水体对闸门自振频率的影响,同时还研究了不同开度闸门自振频率变化情况。结果表明,弧形闸门总体强度和刚度满足设计要求,主要部件存在局部应力集中;水体作用使闸门的自振频率有一定程度的减小;随开度的增加,闸门的振动频率有不同程度的增加。     

考虑裂纹缺陷的弧形钢闸门有限元分析

针对裂纹缺陷对弧形钢闸门强度的影响,运用有限元理论和ANSYS子模型技术,建立弧形钢闸门有限元模型,从弧形钢闸门整体模型不同位置取实体子模型,在实体子模型中考虑不同位置、不同长度、不同深度的裂纹缺陷,进行弧形钢闸门有限元计算分析。实例应用结果表明,裂纹缺陷处应力集中系数均随裂纹缺陷尺寸的增加而增大,缺陷处应力集中呈尖端效应,在构件运行时,裂纹区域应力集中会诱发裂纹扩展,减小构件的有效承载面积,降低结构的疲劳强度,在实际工程中应尽量避免裂纹的存在。     

弧形钢闸门排水孔优化设计及有限元分析

针对弧形钢闸门排水孔优化设计问题,以某水利工程弧形工作闸门为例,基于有限元软件ANSYS平台的APDL参数化设计语言及优化设计,对弧形钢闸门主横梁进行圆形排水孔的优化设计和有限元计算,并观察不同位置孔结构尺寸参数对排水孔周边应力分布的影响。实例计算结果表明,圆形排水孔的设置主要影响主梁腹板孔边的应力分布,最优圆孔高度约为腹板高度的40%;孔半径是影响孔边应力集中系数的主要设计参数,且半径的灵敏度较孔中心位置大。研究成果可为弧形钢闸门排水孔设计及相关平板开孔问题提供参考。     

大型水工弧形钢闸门流激振动物理模型—数值模型计算分析

针对大型弧形闸门在局部开启过程中因受水流脉动压力而导致的振动问题,以某水利枢纽弧形工作闸门为例,通过建立闸门有限元模型,计算了在考虑流固耦合影响下闸门的自振特性,并与模型试验测得的脉动压力特性进行对比,发现闸门发生共振的可能性不大。在模型试验测得的水流脉动压力的基础上,利用随机振动方法计算出闸门在典型水位不同开度下流激振动应力响应和位移响应。根据计算分析结果对大型弧形闸门的振动安全进行评价,并对闸门的安全运行调度提供合理的建议。     

基于排列熵算法的弧形闸门振动状态监测

为避免闸门结构的剧烈振动,保证其稳定运行,提出基于排列熵算法(PE)的水工闸门状态监测。根据水闸模型不同运行工况下流激振动的加速度数据,利用CEEMDAN与SVD联合提取单个测点闸门结构的特征信息,以方差贡献率的方式将多个传感器所测测点的振动数据进行有效融合,得到一组可全面反映系统总体振动特性的融合数据,通过排列熵方法计算融合后数据的子序列熵值,对比不同工况下熵值变化规律,实现结构振动状态的监测。结果表明,排列熵方法能更加全面有效地提取结构的有效信息,且能以相对直观的形式表现结构的运行状态,可避免闸门运行中的不利工况,为结构的安全运行与在线监测提供参考。     

水工弧形钢闸门未焊透缺陷的有限元分析

鉴于水工钢闸门的焊接质量直接关系到闸门运行安全,运用有限元理论和ANSYS子模型技术,建立含未焊透缺陷的弧形钢闸门有限元模型进行模拟分析。结果表明,在模拟尺寸范围内,考虑未焊透缺陷中最不利情况,即整体焊缝未焊透,未焊透缺陷应力集中系数介于2~12之间,且随未焊透深度增加呈增大趋势;其中,角焊缝最大应力集中系数为3.44,对整体结构影响较小,而对接焊缝最大应力集中系数为12.0,严重超出材料的相应容许应力,会引发裂纹,降低结构强度,因而在实际工程中,应尽量避免对接焊缝未焊透现象。     

某拦河蓄水钢闸门主梁优化及有限元分析

为改善水工钢闸门主梁腹板的应力分布,减小主梁挠度,提出了一种新型的主梁结构即实腹式双拱形主梁。以某露顶式拦河蓄水闸为例,利用有限元软件ANSYS分别建立了梯形变截面梁腹板模型和双拱形变截面梁腹板模型、梯形变截面主梁闸门和双拱形主梁闸门模型,对两种主梁和闸门分别进行静特性结构分析,比较两种主梁腹板和闸门各构件的应力及变形。结果表明,双拱形变截面梁闸门各个构件的最大折算应力比梯形变截面梁闸门基本小8%以上,位移挠度比梯形变截面梁闸门小14%左右。说明在强度安全和刚度校核时,双拱形变截面梁闸门优于梯形,在水工钢闸门主梁优化及设计时,可考虑采用双拱形变截面主梁。     

拱坝弧形分流墩鼻坎优化试验研究

针对某工程挑流消能对下游河道冲刷破坏严重的问题,采用水工模型试验方法,提出在表孔反弧段增加弧形分流墩的优化方案来解决消能问题。通过对优化前后两种方案的试验数据对比,深入分析了不同工况下弧形分流墩过流时的水流流态和对下游的冲刷特性。结果表明,弧形分流墩方案的溢流坝表面流速稳定,未出现负压,过流能力良好;弧形墩能较好地分散水流,控制水舌的入水方向,使水流在空中发生横向碰撞,消能效果明显。     

滑坡涌浪作用下弧形闸门动力响应数值分析

库岸滑坡是一种常见的地质灾害,滑坡体入库后诱发的涌浪可能会严重威胁库区内闸门结构稳定性。针对弧形钢闸门在滑坡涌浪作用下的动力响应问题,以某深孔弧形工作闸门为例,通过自编有限元程序模拟滑坡涌浪过程,将计算出的涌浪动水压力转化为闸门的节点荷载,基于动力时程法得到闸门动力响应,并结合闸门静力计算结果进行对比分析。结果表明,在滑坡涌浪作用下,主梁后翼缘和竖梁后翼缘的应力响应最大,闸门各个构件中支臂的位移响应最大;相比于正常蓄水位时的滑坡涌浪,死水位时的滑坡涌浪对闸门结构应力和位移响应的影响更大。