大型上翻式拱形钢闸门流固耦合静动力特性分析研究.docx

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大型上翻式拱形钢闸门流固耦合静动力特性分析研究

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论文导读:：本文通过三维空间有限元数值计算模型研究大型上翻式拱形钢闸门的流固耦合动力特性，取得闸门结构流固耦合条件下的振动模态参数，为闸门结构共振分析和采取合理的控振措施提供了科学依据。此外对控制结构强度和刚度的门顶溢流工况进行了闸门位移和应力分布分析，指出了存在问题和修改方向。本文成果可供类似工程设计时参考。

论文关键词：上翻式拱形钢闸门，流固耦合，动力特性，门顶溢流，静力特性，数值分析

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1前言

上翻式拱形钢闸门是一种有别于一般水电工程常用的直升式或有支臂的拱形闸门的特种门型。国际上最早出现在荷兰，作为挡潮结构，其功能单一，仅作单向挡潮与开启或关闭操作，无局部开启等要求。本文结合我国现代沿海城市水环境整治和建设，采用跨度33～40m的大跨度轻型上翻式拱形钢闸门作为挡潮、蓄水及局部开启泄洪等多功能使用。该闸门具有双向挡水、局部开启及门顶溢流等功能，目前在国际上水力结构综合指标属于第一。一般水工结构设计均能满足静力安全要求，但在特殊流态和水动力作用下常常发生强烈振动，甚至动力失稳而破坏。说明一般的结构设计尚不能解决结构的动力安全问题，目前该类结构

的振动特性尚无现成经验可资借鉴，需要针对其工程“个性”和特点进行深入研究，为工程动力安全设计提供科学依据。该水闸工程布置见图1.1～1.3所示。水闸孔口采用开敞式，泄水孔采用单孔，孔净宽40m，闸室长度25.0m。水闸总长128m，包括闸室段长25m、外江防冲槽长8m、海漫长22m、铺盖长20m、内河道铺盖长20m、海漫长15m、防冲槽长8m等。水闸为开敞式单孔泄闸，闸孔尺寸为40m×5.19m（宽×高），底槛高程－3.0m。边墩厚4.0m，泄水闸宽度较大建筑工程论文，不设检修门。

图1.1-1水闸平布置图图1.1-2水闸侧视图

Figure1.1-1PlaneLayoutofWaterGateFigure1.1-2SideViewofWaterGate

图1.2水闸门叶结构图图1.3水闸门叶结构图

Figure1.2GateLeafofWaterGateFigure1.3GateLeafofWaterGate

2上翻式拱形闸门的有限元模型

闸门结构是一种水利水电工程中常用的挡水结构，泄水过程中动水作用荷载是诱发结构振动的主要振源。当结构动力特性和水动力荷载产生不利组合作用时，闸门结构常常发生共振或强烈振动，有的工程因动力失稳而破坏。结构的动力特性包含固有频率、振型等参数，是结构动力分析的基础数据，流固耦合对结构动力特性的的影响是不可忽视的重要内容，本文对水体对闸门的影响进行研究，以掌握其动力性态，为结构共振分析提供依据。

2.1闸门结构的流固耦合基本理论

当闸门处于水中时，闸门的振动必然引起水体压力的波动，水体压力波动又会影响闸门的振动，这是一个典型的液体和弹性体的耦合振动问题。耦合系统自由振动的控制方程可利用第二类Lagrange方程得到，设、分别代表整个结构的节点位移向量和节点速度向量，以表示水作用于流体作用面有关节点的动水压力向量，若T、U表示结构的动能和势能，则有

（2-1）

其中第二式代表动水压力对流体作用面作的功期刊网。将T、U代入下式——第二类Lagrange方程

（2-2）

可得

（2-3）

式（2-11）就是液—固耦合自由振动方程，它比单个固体振动方程多一个动水压力向量{p}。

动水压力向量{p}的确定采用无粘性不可压缩的微幅流体运动，扰动压强p满足拉普拉斯方程：

（2-4）

若引入为水流扰动速度势，由流体的连续性方程，Φ亦满足拉普拉斯方程

（2-5）

而P及Φ之间的关系为

（2-6）

还必须考虑流体作用面与水接触面等边界条件，如

（2-7）

流体作用面表面法向速度必须与水质点的法向速度相等

（2-8）

远处，水流的扰动速度和扰动压强均应趋近于零。

式（2-5）~（2-6）为扰动水压力控制方程组，由其求解知流体作用面与水接触节点上的动力压力向量可表示为其表面上节点加速度的线性组合，即

（2-9）

式（2-6）的与具有不同数量的项次，为此引入列阵之间的转换矩阵[S]

（2-10）

再引入与之间的转换阵[T]，则

（2-11）

将式（2-11）代入式（3-3）得

（2-12）

其中就是通常所称的附加质量阵。

式（2-12）为在水介质下的结构自由振动的耦合控制方程，它同样可化为如下形式的特征值问题：

（2-13）

此处是非对称矩阵，因此不能将其转化为标准特征值问题。用于求解非对称特征值问题的方法是Lanczos法。

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2.2闸门结构的有限元模型

上翻式拱形闸门工作状态下孔口宽度40.0m，门高5.19m。采用SHELL63壳单元和