露頂式平面鋼閘門有限元分析（上）

　　這期的內容是基于專業的一個課程設計而進行的，因為這期的內容比較多，所以分為上下兩期進行介紹，上期主要介紹露頂式平面鋼閘門的基本資料和建模的基本知識，下期講解閘門的具體的求解過程。

　　平面鋼閘門一般是由可以上下移動的門葉結構、埋固構件和啟閉閘門的機械設備三大部分所組成。筆者這次分析的就是其中的門葉結構，也是最重要的一部分。

　　【基本資料】

　　閘門型式：提升式平面鋼閘門(露頂式);

　　孔口尺寸：寬8米，高6.2米;

　　上下游水位：上游水位5.2米，下游沒水，閘底高程-1米;

　　閘門所用材料：Q235鋼;

　　焊 條：E43型(模擬中不考慮);

　　【荷載計算】

　　因為這個上游水位是5.2米，閘底高程為-1米，加上波浪超高0.4米，所以閘門總的高度為：

　　H=上游水位高程-閘底高程+ΔH(ΔH取0.4) =6.6米

　　由于閘門處于靜水中，所以沿垂直于面板的方向只受到靜水壓力，從上到下呈三角形分布，閘底的荷載F=pgh=60760N;閘門除了受到靜水壓力以外，還有自重也要考慮，在ansys中只需要設置密度和提供一個重力加速度，便能很方便的施加重力荷載。

　　【門頁尺寸】

　　這次分析的鋼閘門的尺寸都是課程設計設計的最終尺寸，尺寸如下圖所示：

　　門頁正視圖

　　閘門左視圖

　　閘門I-I剖視圖

　　門頁的具體尺寸就是這樣的，后面建立的有限元模型的尺寸都是基于這個尺寸。

　　【建模基本命令】

　　筆者這次建立的平面鋼閘門有限元模型，閘門的面板采用shell63模擬，邊梁、次梁、主梁、頂梁、底梁和橫隔板采用beam188單元進行模擬。這次建立有限元模型的關鍵是建立梁單元，下面我主要講一下beam188單元的截面問題中主要的幾個命令。

　　SECTYPE, SECID, Type, Subtype, Name, REFINEKEY

　　SECTYPE主要是確定梁截面的尺寸的，SECID是截面的識別號，TYPE截面用途類型，SUBTYPE截面類型，NAME截面名字(八個字符);具體的類型可以查看help文件;

　　SECDATA,VAL1, VAL2, VAL3, VAL4, VAL5, VAL6, VAL7, VAL8

　　SECDATA主要是定義截面的具體數值，換句話說就是指定控制截面形狀的數據，具體是哪些數據，要根據截面的形狀而定，這個可以查看help文件;下面展示GUI路徑顯示，如下圖;

　　定義之后得到截面，可以通過下面的GUI路徑進行查看，也可以通過命令流SECPLOT, SECID, VAL1, VAL2,
VAL3進行查看，GUI路徑如下;

　　LATT, MAT, REAL, TYPE, --, KB, KE, SECNUM

　　LATT命令是對線進行材料賦值的，MAT表示材料號ID
號，REAL表示實常數的號，TYPE表示單元號，KB、KE表示線始端和末端的關鍵點，SECNUM表示梁截面ID號;

　　在這里最關鍵的是截面的方向定義，下面我用兩個簡單的例子說明;

　　命令流1：

　　FINISH

　　/CLEAR

　　/PREP7

　　ET,1,BEAM189

　　MP,EX,1,2.1E5

　　MP,PRXY,1,0.3

　　SECTYPE,1,BEAM,I !定義截面為工字形

　　SECDATA,100,40,160,10,10,8 !工字截面的尺寸

　　K,1

　　K,2,,1000

　　L,1,2

　　LATT,1,,1,,,,1

　　LESIZE,ALL,,,10

　　LMESH,ALL

　　/ESHAPE,1

　　EPLOT

　　得到的圖如下：

　　命令流2：

　　FINISH

　　/CLEAR

　　/PREP7

　　ET,1,BEAM189

　　MP,EX,1,2.1E5

　　MP,PRXY,1,0.3

　　SECTYPE,1,BEAM,I

　　SECDATA,100,40,160,10,10,8

　　K,1

　　K,2,,1000

　　L,1,2

　　k,100,2 !定義截面的方向的關鍵點

　　LATT,1,,1,,100,,1

　　LESIZE,ALL,,,10

　　LMESH,ALL

　　/ESHAPE,1

　　EPLOT

　　結果如下圖：

　　從上面的兩個圖中可以看出，全局坐標系并沒有發生變化，但是截面的位置卻發生了變化，筆者簡單的說一下，其實梁的單元坐標系如下圖所示;

　　梁為3維2節點單元，從圖中可以看出來，始終從I節點指向J節點，單元坐標系的x軸指向梁的縱向，y和z軸組成的平面平行于截面，看下面的工字梁截面，如下圖所示;

　　在單元坐標中，梁截面的指向分別如上圖所示，梁的始端截面上的z軸(上圖中的z軸)指向的方向點KB,同樣梁的末端截面上的z軸指向方向點KE,這樣的話就能控制截面的朝向，在后面的建模過程中很重要。

　　SECOFFSET, Location, OFFSET1, OFFSET2, CG-Y, CG-Z, SH-Y, SH-Z

　　Location表示偏移的位置，分別為CENT,SHRC,ORIGIN和USER

　　后面建模用到的是USER,就是將梁的截面偏移到用戶指定的位置(相對于橫截面原點),主要由OFFSET1和OFFSET2來控制，即相對于截面原點的偏移量，如下圖所示：

　　定義變截面梁

　　定義變截面梁也是此次建模的關鍵，為了節省材料，閘門的主梁、橫隔板采用變截面梁。下面我用一個小例子說明;

　　命令流如下：

　　finish

　　/clear

　　/prep7

　　sectype,1,beam,i !定義截面1

　　secdata,160,120,200,10,10,8

　　sectype,2,beam,i !定義截面2

　　secdata,320,240,300,16,16,12

　　k,1

　　k,2,800,300

　　k,100,400

　　l,1,2

　　sectype,3,taper !定義變截面梁

　　secdata,1,kx(1),ky(1),kz(1)

　　!kx(1)表示1號節點的x坐標，這里建議直接用坐標值

　　secdata,2,kx(2),ky(2),kz(2)

　　et,1,beam189

　　mp,ex,1,2.1e5

　　mp,prxy,1,0.3

　　lesize,all,,,8

　　latt,1,,1,,100,,3

　　lmesh,all

　　/eshape,on

　　效果如下圖：

　　自定義梁的截面

　　這個是今天最后講的，在鋼閘門的邊梁采用的是雙腹板，這個截面在截面庫里面找不到，因此需要自己定義截面，下面就用后面的定義的截面來說明;

　　命令流如下：

　　finish

　　/clear

　　/prep7

　　et,1,plane82 !自定義截面的單元只能用plane82或者mesh200

　　blc4,,,-0.3,0.02

　　wpoffs,-0.194,-0.5

　　blc4,,,-0.012,0.5

　　wpoffs,-0.106

　　blc4,,,0.2,-0.02

　　wprota,,,90

　　wpoffs,,,0.094

　　asbw,all

　　wpoffs,,,0.012

　　asbw,all

　　arsym,x,all !進行面的對稱操作

　　wpcsys,-1

　　aglue,all

　　lesize,all,,,1

　　amesh,all

　　secwrite,bl !自定義截面的存盤

　　finish

　　這里先建立閘門邊梁的截面，并將截面的數據文件以后綴名為sect(當然可以自己定義后綴名)存到工作目錄中，下面的命令是讀入截面的數據，命令流如下：

　　sectype,6,beam,mesh !定義邊梁

　　secread,bl,,,mesh !讀入之前定義的邊梁截面