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弧形閘門的擋水面為圓柱體的部分弧形面，由于弧形閘門不用設(shè)置門槽，啟閉力學(xué)性能好，作為工作閘門在各種類型的水道中得到廣泛應(yīng)用。鉸接座位于弧形面的下端，啟閉時(shí)閘門繞支承鉸轉(zhuǎn)動(dòng)。弧形閘門由門葉、鉸接座、支撐桿、支撐油缸及液壓系統(tǒng)組成。本文以3m弧形閘門為分析對(duì)象，在Femap有限元分析平臺(tái)中，把其整個(gè)啟閉過(guò)程添加梯形載荷，分為多個(gè)載荷步進(jìn)行分析，通過(guò)后處理提取油缸支撐處的載荷及支撐反力數(shù)據(jù)，為油缸設(shè)計(jì)選型提供依據(jù)。
采用有限元計(jì)算軟件Femap With NX Nastran建立3m弧形閘門整體計(jì)算模型。下部鉸接座采用MASS單元模擬，鉸接座與鉸接軸連接采用RBE2單元模擬（釋放銷軸方向自由度），其余構(gòu)件采用板單元模擬。上部油缸座及支撐架與弧形閘門的連接，按照固定連接處的節(jié)點(diǎn)處理，弧形閘門的面板、橫筋和縱筋的材料均為Q235B。各支點(diǎn)的邊界條件如表所示，計(jì)算模型如圖所示。
說(shuō)明：Di表示平動(dòng)的自由度，Ri表示轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；“1”表示約束，“0”表示自由，A、B、C、D分別為下部鉸接座的下左支點(diǎn)、下部鉸接座的下右、油缸的上左支點(diǎn)、油缸座的上右支點(diǎn)。
計(jì)算工況說(shuō)明：表為3m弧形閘門從開(kāi)閘最低水位到關(guān)閘最高水位時(shí)，弧形門板從0°靠油缸頂推，沿著下部鉸軸旋轉(zhuǎn)到75°的四個(gè)計(jì)算工況。弧形閘門的自重載荷按照重力加速度修正后處理，水位的高低及在弧形門板上的壓強(qiáng)，按照梯形壓強(qiáng)添加在弧形門板的外表面，水流的沖洗系數(shù)是按照比例關(guān)系添加在梯形壓強(qiáng)上。
3m弧形閘門在關(guān)閘的最高水位下，閘門下部三分之一位置出現(xiàn)最大應(yīng)力，最大綜合應(yīng)力約32MPa，小于容許應(yīng)力159MPa，強(qiáng)度滿足要求。圖2為弧形閘門在最高水位狀態(tài)的整體應(yīng)力分布圖，在最高水位狀態(tài)下，弧形閘門的最大合位移出現(xiàn)在弧形閘門下部的面板上和弧形閘門上部的兩個(gè)尖角處，最大綜合位移約0.46mm。
弧形閘門的橫向筋中，上下兩個(gè)橫向筋為無(wú)縫鋼管，中部的四個(gè)橫向筋為焊接的工字型梁，材質(zhì)均為Q235B。經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，中部支撐位置應(yīng)力較大，最大綜合應(yīng)力約27.5MPa，小于容許應(yīng)力159MPa。圖4為最高水位狀態(tài)下弧形門板的橫向筋應(yīng)力分布圖，最高水位狀態(tài)下，橫向筋的最大位置分布在兩側(cè)，越接近水面，下?lián)显酱螅畲蟮木C合位移約0.46mm。圖5為最高水位狀態(tài)下的橫向筋位移圖。
弧形閘門的六個(gè)豎向筋均為板材焊接的弧形工字梁，材質(zhì)均為 Q235B；經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，中下部應(yīng)力較大，最大綜合應(yīng)力約17.3MPa，小于容許應(yīng)力 159MPa，圖6為最高水位狀態(tài)下弧形門板的豎向筋應(yīng)力分布圖；最高水位狀態(tài)下，橫向筋的最大位置分布在兩側(cè)，越接近水面，下?lián)显酱螅畲蟮木C合位移約0.46mm，圖5為最高水位狀態(tài)下的豎向筋位移圖。
支撐油缸的一段與弧形門板之間通過(guò)鉸接座連接，另一端與地面的錨固機(jī)構(gòu)聽(tīng)過(guò)鉸接座連接；通過(guò)對(duì)弧形門板分別回轉(zhuǎn)0°、25°、50°、75°四個(gè)工況進(jìn)行有限元分析，提取每個(gè)狀態(tài)下的支撐反力，得出在最高水位狀態(tài)下，支撐油缸的支撐反力最大，表3為提取的在最高水位狀態(tài)下的油缸鉸接座處的總支反力、沿水流方向的支反力、豎直方向支反力和垂直水流方向的支反力。通過(guò)提取的支撐反力，為油缸的選型提供依據(jù)。
本文利用大型有限元分析軟件 Femap &NX Nastran對(duì)3m弧形閘門在額定載荷下的金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，得出該結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度和剛度均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，并有較大安全裕度。通過(guò)對(duì)開(kāi)閘到關(guān)閘的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行多載荷步分析，得到油缸支撐反力的變化數(shù)據(jù)，對(duì)油缸的設(shè)計(jì)和選型提供設(shè)計(jì)參考。
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