流冰碰撞下闸门的有限元分析
摘 要:在黄河开河时期,经常发生冰塞、冰坝等灾害,对水工建筑物造成破坏。文章运用ANSYS/LS-DYNA软件对流冰撞击闸门的过程进行了仿真模拟,模拟了流冰撞击闸门时冰和闸门的受力过程,同时绘制出不同速度下流冰的压强曲线。文章从有限元仿真模拟研究上,对流冰碰撞水工建筑物问题进行了分析,为以后更深入的研究工作提供了参考。
关键词:ANSYS/LS-DYNA;仿真模拟;流冰;闸门
黄河内蒙古河段地处黄河流域最北端,由于纬度较高,因此造成气温上暖下寒,并且冬季严寒而漫长,气温在0℃以下的时间可持续4~5个月,是稳定封河河段。在开河阶段,极其容易发生冰坝、冰塞等险情,并且大块的流冰对水工建筑物会造成不同程度的破坏,因此,开展流冰对建筑物的破坏研究意义重大。目前利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对撞击问题进行模拟分析越来越普遍,文章利用此软件对流冰撞击闸门问题进行分析,希望可以为冰凌的防治工作提供一定参考。
1 流冰碰撞闸门的运动方程
在文章中,流冰碰撞闸门属于低速度的非线性问题,在碰撞的瞬间流冰将发生变形,整个碰撞的过程中伴随着能量交换和吸收,在有限元方法中,其运动方程可以表示为
2 数值模型的建立
文章采用显示六面体实体单元:SOLID164,建立三维实体模型,并采用沙漏粘性阻尼,以节省存储量,增快计算速度,克服零能模式。
文章建立的有限元模型分为平板刚闸门和流冰两部分,其中平板刚闸门部分由五根纵梁,两根主梁,两根次梁和面板组成,面板宽为2640mm,长为3000mm,厚为20mm,主梁长、宽、高分别为2640mm、80mm、320mm。冰的尺寸为2m×2m×0.2m,水深5m,根据冰撞击闸门速度的不同,分别建立了流冰速度为0.5m/s、0.7m/s、1.0m/s、1.5m/s四种碰撞类型。
碰撞模型如图1所示。
闸门跟流冰的材料参数如表1、表2所示。
3 流冰与闸门的碰撞分析
3.1 碰撞能量分析
流冰撞击闸门是一个瞬间的过程,其能量交换也是在瞬间完成的,在动能转化为内能的过程中,整体的总能量是守恒的。具体的能量转换为:开始只有流冰具有动能,碰撞后,转化为冰块变形破碎的能量、剩余的动能、各物体之间因摩擦产生的内能、闸门的动能和内能和沙漏能。
碰撞过程中能量变化如图2所示,曲线A表示动能,曲线B表示内能,曲线C表示总能量。由图可以看出,当流冰与闸门碰撞瞬间,流冰动能突然减小,在0.002s时降到了最低,随后在一个范围内有限的波动。在整个撞击过程中,开始内能为零,动能最大,后来内能大于动能,说明整个过程动能大部分转化成了内能。
3.2 碰撞时流冰应力云图
流冰在碰撞瞬间的第一主应力云图和第三主应力云图如图3、4所示。
从图中可以看出,在碰撞瞬间冰最大拉应力为1.300×10-5Mpa,最大压应力为2.858×106pa,在碰撞后,冰的拉应力和压应力都在减小。
3.3 碰撞时闸门的应力云图
在碰撞瞬间闸门的第一主应力云图和第三主应力云图5、图6所示。
由图可以看出,在碰撞瞬间,闸门的最大拉应力为2.700×10-4Mpa,最大压应力为3.457×10-5Mpa。
分析流冰和闸门接触部分的单元,找到应力最大的单元,如图7所示,单元所受到的应力在碰撞的瞬间急剧增加,0.07s左右达到最大压应力值,约1.49×107Pa,小于钢材的屈服应力2.9×107Pa,所以闸门在碰撞中没有发生破坏。
4 不同流冰速度对冰压强的影响
在流冰尺寸为2m×2m×0.2m,流冰速度分别为0.5m/s、0.7m/s、1.0m/s、1.5m/s时绘制出冰体压强趋势如图8所示,从图中可以看出,随着流冰速度的增加,冰体压强呈增大趋势。
5 结束语
作者还做了当流冰的长宽都为2m×2m时,冰的厚度分别为0.1m、0.3m时候闸门的分析,分析得出当流冰速度分别为0.5m/s、0.7m/s、1.0m/s、1.5m/s时候,闸门所受的最大压强都小于钢材的屈服应力,闸门不会受到破坏。但是当流冰的长宽继续同步增大时,闸门所受的压强也随着增大,因此应提前对大体积流冰进行爆破,以防止对水工建筑物造成破坏。
参考文献
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作者简介:杨再云,男,汉族,云南丽江,工程硕士,华北水利水电大学,研究方向:水工结构。
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