0 引言

　　閘門和啟閉機(jī)等金屬結(jié)構(gòu)和機(jī)械是水利水電樞紐的重要組成部分，與大壩、廠房、船閘等建筑物相比，它們似乎是次要的結(jié)構(gòu)，但對(duì)工程的安全有效運(yùn)行卻至關(guān)重要，這次汶川大地震中，許多水利水電工程出現(xiàn)險(xiǎn)情，多數(shù)是閘門、啟閉機(jī)操作困難，無(wú)法控制庫(kù)水位及下泄流量，甚至溢頂。啟閉機(jī)主梁、門腿的強(qiáng)度和剛度對(duì)整個(gè)啟閉機(jī)的安全可靠使用有很大的影響。為了保證啟閉機(jī)的安全可靠，用有限元法對(duì)啟閉機(jī)的主梁和門腿進(jìn)行分析和優(yōu)化是非常必要的。同時(shí)為了充分利用材料性能，降低制造和運(yùn)輸成本，用Solidworks中的Cosmosworks插件對(duì)啟閉機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化。

　　1 啟閉機(jī)的3D建模

　　這里以金安橋水電站QM4000/1000kN門式啟閉機(jī)為例，啟閉機(jī)的主起升載荷4000kN，副起升載荷1000kN，首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原始尺寸畫出啟閉機(jī)的分析模型。用有限元法求解結(jié)構(gòu)問題時(shí)，如對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)直接進(jìn)行分析，無(wú)論從問題的復(fù)雜程度或節(jié)省資源方面考慮都是不明智的，因此在滿足確定性的前提下首先確定關(guān)鍵的部位，對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡(jiǎn)化。在簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上，建立幾何模型以滿足有限元分析的要求。在建立啟閉機(jī)3D虛擬樣機(jī)模型時(shí)，應(yīng)保證模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)盡可能相一致，以使模型能夠反映啟閉機(jī)的力學(xué)特性的原則下，對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)作必要的簡(jiǎn)化：忽略結(jié)構(gòu)上的螺栓孔，假定所有焊縫為連續(xù)全焊透。不考慮焊縫處材料力學(xué)特性的變化，啟閉機(jī)主結(jié)構(gòu)所用的材料為Q345C。

　　2 啟閉機(jī)的有限元分析和優(yōu)化

　　2.1 分析過(guò)程

　　(1)創(chuàng)建靜態(tài)研究：由于啟閉機(jī)工作時(shí)速度很低，在每個(gè)瞬間可以看作是靜態(tài)的，因此采用靜態(tài)研究。

　　(2)指定材料：主結(jié)構(gòu)所用材料為Q345C，材料常數(shù)：彈性模量E=2.06x 105MPa;密度ρ=7850kg/m3;泊松比λ=0.3;許用應(yīng)力[σ]Q345C=218MPa。

　　(3)載荷和約束：施加外載荷時(shí)應(yīng)考慮主梁的均布載荷和集中載荷，把梁的自重和風(fēng)載視為均布載荷，小車和起吊重物視為集中載荷，約束施加在四個(gè)門腿的下端。

　　(4)網(wǎng)格劃分：劃分網(wǎng)格時(shí)應(yīng)考慮網(wǎng)格的數(shù)量和疏密，分網(wǎng)精度根據(jù)分析目的及分析對(duì)象的受載情況、結(jié)構(gòu)的尺寸等來(lái)決定，在此選用實(shí)體網(wǎng)格。

　　(5)運(yùn)行分析：當(dāng)進(jìn)行完設(shè)定材料、定義負(fù)荷和約束、對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，就可以進(jìn)行分析了。

　　(6)觀察結(jié)果：運(yùn)行分析后，系統(tǒng)自動(dòng)生成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果報(bào)告。

　　這里把啟閉機(jī)的工作過(guò)程分為四種工況，每種工況下的應(yīng)力、位移圖示如下：

　　工況1：副小車位于上游跨外7.45m起吊，主鉤空載位于跨中時(shí)的靜態(tài)節(jié)應(yīng)力圖如圖1所示。

　　圖l 工況1時(shí)的靜態(tài)節(jié)應(yīng)力圖解

　　Fig.l Static stress under the working condition 1

　　工況2：主鉤位于跨中起吊，副鉤空載位于跨外7.6m時(shí)，靜態(tài)節(jié)應(yīng)力圖如圖2所示。

　　圖2 工況2時(shí)的靜態(tài)節(jié)應(yīng)力圖解

　　Fig.2 Static stress under the working condition 2

　　工況3：副小車位于上游跨外7.45m，副鉤攜帶載荷運(yùn)行制動(dòng)，主鉤空載時(shí)靜態(tài)節(jié)應(yīng)力圖如圖3所示。

　　圖3 工況3時(shí)的靜態(tài)節(jié)應(yīng)力圖解

　　Fig.3 Static stress under the working condition 3

　　工況4：主鉤位于跨中，攜帶載荷運(yùn)行制動(dòng)，副鉤空載位于跨外7.45m時(shí)，靜態(tài)節(jié)應(yīng)力圖與靜態(tài)位移圖如4所示。

　　圖4 工況4時(shí)的靜態(tài)節(jié)應(yīng)力圖解

　　Fig.4 Static stress under the working condition 4

　　通過(guò)對(duì)以上結(jié)果的分析，最危險(xiǎn)的為工況2，最大應(yīng)力部位位于跨中，值為133.8MPa，小于218MPa，這里的最大應(yīng)力包括應(yīng)力集中部位的應(yīng)力值，在非應(yīng)力集中處，即使應(yīng)力較大區(qū)域處的應(yīng)力值也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于這個(gè)數(shù)值，另外通過(guò)4個(gè)工況最大位移在懸臂端，值為8.7mm,懸臂長(zhǎng)13.5m，相應(yīng)的許用撓度值為13500/800=16.9mm，也處在絕對(duì)安全的范圍內(nèi)。從結(jié)果來(lái)看，可以對(duì)啟閉機(jī)的主梁和門腿進(jìn)行優(yōu)化。

　　2.2 對(duì)啟閉機(jī)的主梁和門腿進(jìn)行優(yōu)化

　　優(yōu)化主梁和門腿的橫截面積和幾何尺寸：

　　(1)參數(shù)化設(shè)計(jì)變量：把主梁和門腿的幾何尺寸定義為設(shè)計(jì)變量，在以后的優(yōu)化過(guò)程中將被改變以達(dá)到最佳值。

　　(2)設(shè)置實(shí)常數(shù)及定義材料屬性：對(duì)主梁和門腿的實(shí)常數(shù)分別進(jìn)行設(shè)置。

　　(3)設(shè)置應(yīng)力約束和位移約束：應(yīng)力安全系數(shù)取1.3，則約束應(yīng)力間[σ]≤[σ]Q345C/1.3=168MPa。

　　運(yùn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以主梁上翼緣和腹板的優(yōu)化結(jié)果為例，圖5為設(shè)計(jì)變量與設(shè)計(jì)組的關(guān)系。表1列出優(yōu)化結(jié)果。

　　圖5 設(shè)計(jì)變量與設(shè)計(jì)組關(guān)系圖

　　Fig.5 The relation of Design variables and group

　　3 結(jié)論

　　對(duì)優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，截面尺寸比原尺寸有所減小，減小了材料的用量，制造成本和運(yùn)輸成本均下降，但原啟閉機(jī)在實(shí)際工作時(shí)，證明是安全可靠的，優(yōu)化后的尺寸在理論上是可行的，但是在實(shí)際制造時(shí)，仍需根據(jù)實(shí)際情況和以往的經(jīng)驗(yàn)做出合理的選擇，在這里只是作為一種優(yōu)化手段，只有各種情況都考慮進(jìn)去，才能設(shè)計(jì)出安全可靠的啟閉機(jī)。