有限元法在船闸闸首结构设计中的应用

苏杨中

摘 要：有限元法是近些年提出的一种相对高效率的方法，对于微分方程等的解析有着相当快速的解决方式，使用这种方法来离散化微分方程之后就能够使用计算机来进行快速高效率的求解过程。船闸的结构设计过程中应用这样的方法可以有效的解决生产过程中常见的一些问题，有着广泛的应用范围和高效率的应用效果，因而有着重要的现实意义。

关键词：有限元法;船闸闸首结构;结构设计

中图分类号：U641           文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2019）12-0070-02

船闸的闸首结构在进行设计的过程中经常会遇到一些问题，针对这些问题可以应用有限元法进行处理和解决，这样一来就可以设计出效果更好的闸首结构，确保其应用的效果和安全性。

1 相关背景

船闸在进行结构设计的过程中如果在标准算法之外采取进一步的考虑和分析措施的话，可以有效的将材料中非线性因素以及三维结构因素考虑到设计过程当中，这样一来就能够促进闸首的结构设计效果。但是通常采取的设计方法并没有采取这些相关的方法，针对这样的问题，文章采取了建立大型船闸基础的三维有限元模型的方式来考虑基础材料的非线性，采用duncan- -zhang模型和abaqus软件进行分析。闸门的应力分布和变形特性。结果表明，标准算法在船闸设计中具有较大的安全裕度，但闸墩与底板的夹角是不安全的。进一步将船体的结构材料以及材料自有的结构状态以及尺寸进行综合考虑，通过合理设置基础、底板、回填和闸门基础的接触面，可以计算不同类型的工作。验证了计算的结果合理性之后就可以得出闸门结构的应力合理性或者不合理之处。

2 工程概况

船体运行过程中闸首的工作稳定性可以说是船体整体安全性的关键所在，文中提到的方法应用了一种典型的空间结构。现在在对类似的空间结构进行分析考虑的时候最常用的方法主要包括三维分析和平面分析。由于各种情况。以往，分析方法主要用于船闸的设计，但这种方法不能真实反映船闸三维结构的力学性能。即使采用平面有限元法计算结构内力，也只是为了提高计算精度，并不能真正解决锁头空间结构问题。进行了应力、变形和模态分析的基础上就能够进行更加深入的有限元分析过程，而在此基础上使用计算机的分析软件可以自发的对闸首的结构情况以及一些具体的荷载问题进行分析，最终将结构问题简化到计算网络当中进行自发的分析，进而就得到了复合材料、钢筋混凝土、高压收缩弹性泡沫及各种岩土工程材料的性能。应用ABAQUS有限元软件可以在考虑到材料基础数据的条件下获得一些非线性的因素并进一步对典型的工程问题进行自发的预算和求解。考虑到船闸的结构特点和应力特性，以及结构的应力和变形数据，船闸的内力是求解实际工况下的实体三维非线性有限元法。嘉陵江船闸为三级水工建筑物。船闸的下方主要是使用钢筋混凝土制作的一块地板，其中底部材料为C25，边墩采用的材料室C15混凝土，30米长，除此之外连接的部分采用钢结构人字门，基础主要由砂质粘土岩组成。

3 模型求解

3.1有限元模型和计算方法

用解析法计算的材料参数相同。根据有限元分析的原理和闸首结构的应力分析，模拟了侧墩、底板、回填和地基土的相互作用。该模型包含78421个元素和91620个节点，闸门的顶端使用的是六面体的结构单元进行结构的构建的，码头底部和侧面构件的最大尺寸为0.8米。走廊中元素的最大大小为0.4米，而空盒的最大尺寸则是6分米，除此之外需要构建回弹结构单元，对这些单元进行结构分析的过程中最常见的方式是二次折减计分法等来调整网格模型的网格。

3.2非线性因素的处理

根据考虑材料的理想弹塑性体计算模型，将虎克定律应用于混凝土材料的本构关系中。在“模型计算和分析”选项中，参数设置为“开”。在带有*的节点上，该选项定义局部方向，该方向在整个分析过程中保持不变、不变和不旋转。使用inc参数指定最大允许增量25的步骤。-采用接触算法模拟主、从表面之间的总接触，包括接触表面的定义和接触表面本构关系的定义。在砌砖过程中，应考虑墩台与地面、墩台与地面、墩台与地面的接触。建立了回填、回填、基础、墩和侧墩挡土墙之间的相互作用和接触参数，有限元模型中的接触关系设置。

3.3闸门的处理

人字门是一种复杂的空间结构，实际应用的过程中要解决这样的问题的话需要使用板壳的结构单元，这样的结构单元可以模拟出闸首结构当中常用的门柱主梁和腹板等多方面的内容。门的每个节点都有六个自由度。在闸门枢轴的水平面上，沿两个拉杆的方向和闸门下枢轴的垂直方向设置连杆约束。关门时，沿拱压方向设置位移约束，沿垂直方向设置斜柱和垂直轴锁门槽位移约束。门是锁的关键部分，船体在运行的过程中闸门是否能够稳定的运行会直接影响到整个船结构的安全性，门是典型的空间结构。现在最常用的对闸门进行计算的方式主要包括简化的工作方式，一般都是将空间问题进行降维处理，用二维的方式进行處理通常来说因为复杂的条件的影响，传统化的船闸设计都会使用解析法来进行解构的构建和设计，但是从根本上来说的话这种方法并不能够充分的反映出三维结构在运行过程中的性能情况。即使采用平面有限元法计算船闸结构内力，也只能提高计算精度，但是如果能够使用有限元的分析软件的话就能够充分的解决这样的问题，模型符合计算机程序的要求。输入闸门结构模型的基本模型和闸门的结构荷载，根据网格的结构模型自动划分网格，计算了应力和变形以及模态分析。相对于传统的分析软件来说，有限元分析软件有着更加强大的处理功能，针对十分复杂的力学问题都能够一定程度上进行解决，由于有限元软件有着相对更加丰富的材料库和单元库，因而可以对于十分复杂的材料形状和性质进行模拟，可以模拟最典型的工程材料。

3.4加载与计算求解

为了更好地模拟头部的实际受力，采用了阶梯加载法。首先，将重力法应用于地基土的初始应力分析，随后以不增加闸门应用的构件的条件下来重新进行回填重载问题，进而可以对闸门的建筑物进行重复的荷载施加问题，最终能够良好的处理基础问题。根据闸门在不同工况下前后水位的变化，对闸门单元施加不同的水头压力。在这样的条件下就可以从结构进行闸首的竖向结构分析过程。但是从结果来看的话闸首结构当中的头部地板和边廊结构之间也有着较大的位移，从这一角度进行分析的话可以看出其间存在了相对较大的应力，这也是头部结构最薄弱的一部分。计算了不同制动头的载荷组合。在相同工况下，接触点和底板位移最大的下游闸门、接触点位移和闸门下游同一特征点处于最大正常工作状态。结果表明，闸前、闸后水位差是影响闸首竖向结构位移的重要因素。头部底板与边墩、边廊道接触处的位移值也较大，说明这些部位的整体应力较大，是头部整体结构的薄弱环节。结构设计中应注意的问题。在海峡两岸码头同一位置，回填土压力码头左侧部分抵消了内部水压的影响。因此，正确的对应点码头的位移明显高于相应的离开码头点的位移。

4 结束语

利用有限元分析软件建立了船闸的三维有限元模型，模拟了船闸在任何位置的三维应力和位移。结构优化设计可以方便快捷地實现。对各种组合的三维应力和位移剖面进行对比分析，可以直接反映在深度和位移有限的情况下锁定船闸闸首的现实模拟。当接地线不断变化时，很容易模拟出真实的尖锐点和奇怪的接地形状。网格生成的突然变化很容易导致应力集中和收敛。因此，应简化接地线，消除其尖角，这与实际情况略有不同。

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