蘇楊中

摘 要：有限元法是近些年提出的一種相對高效率的方法，對于微分方程等的解析有著相當(dāng)快速的解決方式，使用這種方法來離散化微分方程之后就能夠使用計算機來進行快速高效率的求解過程。船閘的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中應(yīng)用這樣的方法可以有效的解決生產(chǎn)過程中常見的一些問題，有著廣泛的應(yīng)用范圍和高效率的應(yīng)用效果，因而有著重要的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：有限元法;船閘閘首結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)設(shè)計

中圖分類號：U641 ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2019）12-0070-02

船閘的閘首結(jié)構(gòu)在進行設(shè)計的過程中經(jīng)常會遇到一些問題，針對這些問題可以應(yīng)用有限元法進行處理和解決，這樣一來就可以設(shè)計出效果更好的閘首結(jié)構(gòu)，確保其應(yīng)用的效果和安全性。

1 相關(guān)背景

船閘在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中如果在標(biāo)準(zhǔn)算法之外采取進一步的考慮和分析措施的話，可以有效的將材料中非線性因素以及三維結(jié)構(gòu)因素考慮到設(shè)計過程當(dāng)中，這樣一來就能夠促進閘首的結(jié)構(gòu)設(shè)計效果。但是通常采取的設(shè)計方法并沒有采取這些相關(guān)的方法，針對這樣的問題，文章采取了建立大型船閘基礎(chǔ)的三維有限元模型的方式來考慮基礎(chǔ)材料的非線性，采用duncan- -zhang模型和abaqus軟件進行分析。閘門的應(yīng)力分布和變形特性。結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)算法在船閘設(shè)計中具有較大的安全裕度，但閘墩與底板的夾角是不安全的。進一步將船體的結(jié)構(gòu)材料以及材料自有的結(jié)構(gòu)狀態(tài)以及尺寸進行綜合考慮，通過合理設(shè)置基礎(chǔ)、底板、回填和閘門基礎(chǔ)的接觸面，可以計算不同類型的工作。驗證了計算的結(jié)果合理性之后就可以得出閘門結(jié)構(gòu)的應(yīng)力合理性或者不合理之處。

2 工程概況

船體運行過程中閘首的工作穩(wěn)定性可以說是船體整體安全性的關(guān)鍵所在，文中提到的方法應(yīng)用了一種典型的空間結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在在對類似的空間結(jié)構(gòu)進行分析考慮的時候最常用的方法主要包括三維分析和平面分析。由于各種情況。以往，分析方法主要用于船閘的設(shè)計，但這種方法不能真實反映船閘三維結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。即使采用平面有限元法計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力，也只是為了提高計算精度，并不能真正解決鎖頭空間結(jié)構(gòu)問題。進行了應(yīng)力、變形和模態(tài)分析的基礎(chǔ)上就能夠進行更加深入的有限元分析過程，而在此基礎(chǔ)上使用計算機的分析軟件可以自發(fā)的對閘首的結(jié)構(gòu)情況以及一些具體的荷載問題進行分析，最終將結(jié)構(gòu)問題簡化到計算網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中進行自發(fā)的分析，進而就得到了復(fù)合材料、鋼筋混凝土、高壓收縮彈性泡沫及各種巖土工程材料的性能。應(yīng)用ABAQUS有限元軟件可以在考慮到材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的條件下獲得一些非線性的因素并進一步對典型的工程問題進行自發(fā)的預(yù)算和求解?？紤]到船閘的結(jié)構(gòu)特點和應(yīng)力特性，以及結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形數(shù)據(jù)，船閘的內(nèi)力是求解實際工況下的實體三維非線性有限元法。嘉陵江船閘為三級水工建筑物。船閘的下方主要是使用鋼筋混凝土制作的一塊地板，其中底部材料為C25，邊墩采用的材料室C15混凝土，30米長，除此之外連接的部分采用鋼結(jié)構(gòu)人字門，基礎(chǔ)主要由砂質(zhì)粘土巖組成。

3 模型求解

3.1有限元模型和計算方法

用解析法計算的材料參數(shù)相同。根據(jù)有限元分析的原理和閘首結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析，模擬了側(cè)墩、底板、回填和地基土的相互作用。該模型包含78421個元素和91620個節(jié)點，閘門的頂端使用的是六面體的結(jié)構(gòu)單元進行結(jié)構(gòu)的構(gòu)建的，碼頭底部和側(cè)面構(gòu)件的最大尺寸為0.8米。走廊中元素的最大大小為0.4米，而空盒的最大尺寸則是6分米，除此之外需要構(gòu)建回彈結(jié)構(gòu)單元，對這些單元進行結(jié)構(gòu)分析的過程中最常見的方式是二次折減計分法等來調(diào)整網(wǎng)格模型的網(wǎng)格。

3.2非線性因素的處理

根據(jù)考慮材料的理想彈塑性體計算模型，將虎克定律應(yīng)用于混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系中。在“模型計算和分析”選項中，參數(shù)設(shè)置為“開”。在帶有*的節(jié)點上，該選項定義局部方向，該方向在整個分析過程中保持不變、不變和不旋轉(zhuǎn)。使用inc參數(shù)指定最大允許增量25的步驟。-采用接觸算法模擬主、從表面之間的總接觸，包括接觸表面的定義和接觸表面本構(gòu)關(guān)系的定義。在砌磚過程中，應(yīng)考慮墩臺與地面、墩臺與地面、墩臺與地面的接觸。建立了回填、回填、基礎(chǔ)、墩和側(cè)墩擋土墻之間的相互作用和接觸參數(shù)，有限元模型中的接觸關(guān)系設(shè)置。

3.3閘門的處理

人字門是一種復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，實際應(yīng)用的過程中要解決這樣的問題的話需要使用板殼的結(jié)構(gòu)單元，這樣的結(jié)構(gòu)單元可以模擬出閘首結(jié)構(gòu)當(dāng)中常用的門柱主梁和腹板等多方面的內(nèi)容。門的每個節(jié)點都有六個自由度。在閘門樞軸的水平面上，沿兩個拉桿的方向和閘門下樞軸的垂直方向設(shè)置連桿約束。關(guān)門時，沿拱壓方向設(shè)置位移約束，沿垂直方向設(shè)置斜柱和垂直軸鎖門槽位移約束。門是鎖的關(guān)鍵部分，船體在運行的過程中閘門是否能夠穩(wěn)定的運行會直接影響到整個船結(jié)構(gòu)的安全性，門是典型的空間結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在最常用的對閘門進行計算的方式主要包括簡化的工作方式，一般都是將空間問題進行降維處理，用二維的方式進行處理通常來說因為復(fù)雜的條件的影響，傳統(tǒng)化的船閘設(shè)計都會使用解析法來進行解構(gòu)的構(gòu)建和設(shè)計，但是從根本上來說的話這種方法并不能夠充分的反映出三維結(jié)構(gòu)在運行過程中的性能情況。即使采用平面有限元法計算船閘結(jié)構(gòu)內(nèi)力，也只能提高計算精度，但是如果能夠使用有限元的分析軟件的話就能夠充分的解決這樣的問題，模型符合計算機程序的要求。輸入閘門結(jié)構(gòu)模型的基本模型和閘門的結(jié)構(gòu)荷載，根據(jù)網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)模型自動劃分網(wǎng)格，計算了應(yīng)力和變形以及模態(tài)分析。相對于傳統(tǒng)的分析軟件來說，有限元分析軟件有著更加強大的處理功能，針對十分復(fù)雜的力學(xué)問題都能夠一定程度上進行解決，由于有限元軟件有著相對更加豐富的材料庫和單元庫，因而可以對于十分復(fù)雜的材料形狀和性質(zhì)進行模擬，可以模擬最典型的工程材料。

3.4加載與計算求解

為了更好地模擬頭部的實際受力，采用了階梯加載法。首先，將重力法應(yīng)用于地基土的初始應(yīng)力分析，隨后以不增加閘門應(yīng)用的構(gòu)件的條件下來重新進行回填重載問題，進而可以對閘門的建筑物進行重復(fù)的荷載施加問題，最終能夠良好的處理基礎(chǔ)問題。根據(jù)閘門在不同工況下前后水位的變化，對閘門單元施加不同的水頭壓力。在這樣的條件下就可以從結(jié)構(gòu)進行閘首的豎向結(jié)構(gòu)分析過程。但是從結(jié)果來看的話閘首結(jié)構(gòu)當(dāng)中的頭部地板和邊廊結(jié)構(gòu)之間也有著較大的位移，從這一角度進行分析的話可以看出其間存在了相對較大的應(yīng)力，這也是頭部結(jié)構(gòu)最薄弱的一部分。計算了不同制動頭的載荷組合。在相同工況下，接觸點和底板位移最大的下游閘門、接觸點位移和閘門下游同一特征點處于最大正常工作狀態(tài)。結(jié)果表明，閘前、閘后水位差是影響閘首豎向結(jié)構(gòu)位移的重要因素。頭部底板與邊墩、邊廊道接觸處的位移值也較大，說明這些部位的整體應(yīng)力較大，是頭部整體結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)注意的問題。在海峽兩岸碼頭同一位置，回填土壓力碼頭左側(cè)部分抵消了內(nèi)部水壓的影響。因此，正確的對應(yīng)點碼頭的位移明顯高于相應(yīng)的離開碼頭點的位移。

4 結(jié)束語

利用有限元分析軟件建立了船閘的三維有限元模型，模擬了船閘在任何位置的三維應(yīng)力和位移。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計可以方便快捷地實現(xiàn)。對各種組合的三維應(yīng)力和位移剖面進行對比分析，可以直接反映在深度和位移有限的情況下鎖定船閘閘首的現(xiàn)實模擬。當(dāng)接地線不斷變化時，很容易模擬出真實的尖銳點和奇怪的接地形狀。網(wǎng)格生成的突然變化很容易導(dǎo)致應(yīng)力集中和收斂。因此，應(yīng)簡化接地線，消除其尖角，這與實際情況略有不同。

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