基于SolidWorks在启闭机设计中的应用

　　0 引言

　　闸门和启闭机等金属结构和机械是水利水电枢纽的重要组成部分，与大坝、厂房、船闸等建筑物相比，它们似乎是次要的结构，但对工程的安全有效运行却至关重要，这次汶川大地震中，许多水利水电工程出现险情，多数是闸门、启闭机操作困难，无法控制库水位及下泄流量，甚至溢顶。启闭机主梁、门腿的强度和刚度对整个启闭机的安全可靠使用有很大的影响。为了保证启闭机的安全可靠，用有限元法对启闭机的主梁和门腿进行分析和优化是非常必要的。同时为了充分利用材料性能，降低制造和运输成本，用Solidworks中的Cosmosworks插件对启闭机进行了优化。

　　1 启闭机的3D建模

　　这里以金安桥水电站QM4000/1000kN门式启闭机为例，启闭机的主起升载荷4000kN，副起升载荷1000kN，首先根据经验设计的原始尺寸画出启闭机的分析模型。用有限元法求解结构问题时，如对实际结构直接进行分析，无论从问题的复杂程度或节省资源方面考虑都是不明智的，因此在满足确定性的前提下首先确定关键的部位，对实际结构进行合理简化。在简化的基础上，建立几何模型以满足有限元分析的要求。在建立启闭机3D虚拟样机模型时，应保证模型与实际结构尽可能相一致，以使模型能够反映启闭机的力学特性的原则下，对实际结构作必要的简化：忽略结构上的螺栓孔，假定所有焊缝为连续全焊透。不考虑焊缝处材料力学特性的变化，启闭机主结构所用的材料为Q345C。

　　2 启闭机的有限元分析和优化

　　2.1 分析过程

　　(1)创建静态研究：由于启闭机工作时速度很低，在每个瞬间可以看作是静态的，因此采用静态研究。

　　(2)指定材料：主结构所用材料为Q345C，材料常数：弹性模量E=2.06x 105MPa;密度ρ=7850kg/m3;泊松比λ=0.3;许用应力[σ]Q345C=218MPa。

　　(3)载荷和约束：施加外载荷时应考虑主梁的均布载荷和集中载荷，把梁的自重和风载视为均布载荷，小车和起吊重物视为集中载荷，约束施加在四个门腿的下端。

　　(4)网格划分：划分网格时应考虑网格的数量和疏密，分网精度根据分析目的及分析对象的受载情况、结构的尺寸等来决定，在此选用实体网格。

　　(5)运行分析：当进行完设定材料、定义负荷和约束、对模型进行网格划分后，就可以进行分析了。

　　(6)观察结果：运行分析后，系统自动生成一个标准的结果报告。

　　这里把启闭机的工作过程分为四种工况，每种工况下的应力、位移图示如下：

　　工况1：副小车位于上游跨外7.45m起吊，主钩空载位于跨中时的静态节应力图如图1所示。

　　图l 工况1时的静态节应力图解

　　Fig.l Static stress under the working condition 1

　　工况2：主钩位于跨中起吊，副钩空载位于跨外7.6m时，静态节应力图如图2所示。

　　图2 工况2时的静态节应力图解

　　Fig.2 Static stress under the working condition 2

　　工况3：副小车位于上游跨外7.45m，副钩携带载荷运行制动，主钩空载时静态节应力图如图3所示。

　　图3 工况3时的静态节应力图解

　　Fig.3 Static stress under the working condition 3

　　工况4：主钩位于跨中，携带载荷运行制动，副钩空载位于跨外7.45m时，静态节应力图与静态位移图如4所示。

　　图4 工况4时的静态节应力图解

　　Fig.4 Static stress under the working condition 4

　　通过对以上结果的分析，最危险的为工况2，最大应力部位位于跨中，值为133.8MPa，小于218MPa，这里的最大应力包括应力集中部位的应力值，在非应力集中处，即使应力较大区域处的应力值也远远小于这个数值，另外通过4个工况最大位移在悬臂端，值为8.7mm,悬臂长13.5m，相应的许用挠度值为13500/800=16.9mm，也处在绝对安全的范围内。从结果来看，可以对启闭机的主梁和门腿进行优化。

　　2.2 对启闭机的主梁和门腿进行优化

　　优化主梁和门腿的横截面积和几何尺寸：

　　(1)参数化设计变量：把主梁和门腿的几何尺寸定义为设计变量，在以后的优化过程中将被改变以达到最佳值。

　　(2)设置实常数及定义材料属性：对主梁和门腿的实常数分别进行设置。

　　(3)设置应力约束和位移约束：应力安全系数取1.3，则约束应力间[σ]≤[σ]Q345C/1.3=168MPa。

　　运行优化设计，以主梁上翼缘和腹板的优化结果为例，图5为设计变量与设计组的关系。表1列出优化结果。

　　图5 设计变量与设计组关系图

　　Fig.5 The relation of Design variables and group

　　3 结论

　　对优化前后的数据进行对比，截面尺寸比原尺寸有所减小，减小了材料的用量，制造成本和运输成本均下降，但原启闭机在实际工作时，证明是安全可靠的，优化后的尺寸在理论上是可行的，但是在实际制造时，仍需根据实际情况和以往的经验做出合理的选择，在这里只是作为一种优化手段，只有各种情况都考虑进去，才能设计出安全可靠的启闭机。