露顶式平面钢闸门有限元分析（上）

　　这期的内容是基于专业的一个课程设计而进行的，因为这期的内容比较多，所以分为上下两期进行介绍，上期主要介绍露顶式平面钢闸门的基本资料和建模的基本知识，下期讲解闸门的具体的求解过程。

　　平面钢闸门一般是由可以上下移动的门叶结构、埋固构件和启闭闸门的机械设备三大部分所组成。笔者这次分析的就是其中的门叶结构，也是最重要的一部分。

　　【基本资料】

　　闸门型式：提升式平面钢闸门(露顶式);

　　孔口尺寸：宽8米，高6.2米;

　　上下游水位：上游水位5.2米，下游没水，闸底高程-1米;

　　闸门所用材料：Q235钢;

　　焊 条：E43型(模拟中不考虑);

　　【荷载计算】

　　因为这个上游水位是5.2米，闸底高程为-1米，加上波浪超高0.4米，所以闸门总的高度为：

　　H=上游水位高程-闸底高程+ΔH(ΔH取0.4) =6.6米

　　由于闸门处于静水中，所以沿垂直于面板的方向只受到静水压力，从上到下呈三角形分布，闸底的荷载F=pgh=60760N;闸门除了受到静水压力以外，还有自重也要考虑，在ansys中只需要设置密度和提供一个重力加速度，便能很方便的施加重力荷载。

　　【门页尺寸】

　　这次分析的钢闸门的尺寸都是课程设计设计的最终尺寸，尺寸如下图所示：

　　门页正视图

　　闸门左视图

　　闸门I-I剖视图

　　门页的具体尺寸就是这样的，后面建立的有限元模型的尺寸都是基于这个尺寸。

　　【建模基本命令】

　　笔者这次建立的平面钢闸门有限元模型，闸门的面板采用shell63模拟，边梁、次梁、主梁、顶梁、底梁和横隔板采用beam188单元进行模拟。这次建立有限元模型的关键是建立梁单元，下面我主要讲一下beam188单元的截面问题中主要的几个命令。

　　SECTYPE, SECID, Type, Subtype, Name, REFINEKEY

　　SECTYPE主要是确定梁截面的尺寸的，SECID是截面的识别号，TYPE截面用途类型，SUBTYPE截面类型，NAME截面名字(八个字符);具体的类型可以查看help文件;

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

　　SECDATA主要是定义截面的具体数值，换句话说就是指定控制截面形状的数据，具体是哪些数据，要根据截面的形状而定，这个可以查看help文件;下面展示GUI路径显示，如下图;

　　定义之后得到截面，可以通过下面的GUI路径进行查看，也可以通过命令流SECPLOT, SECID, VAL1, VAL2,
VAL3进行查看，GUI路径如下;

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

　　LATT命令是对线进行材料赋值的，MAT表示材料号ID
号，REAL表示实常数的号，TYPE表示单元号，KB、KE表示线始端和末端的关键点，SECNUM表示梁截面ID号;

　　在这里最关键的是截面的方向定义，下面我用两个简单的例子说明;

　　命令流1：

　　FINISH

　　/CLEAR

　　/PREP7

　　ET,1,BEAM189

　　MP,EX,1,2.1E5

　　MP,PRXY,1,0.3

　　SECTYPE,1,BEAM,I !定义截面为工字形

　　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

　　得到的图如下：

　　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 !定义截面的方向的关键点

　　LATT,1,,1,,100,,1

　　LESIZE,ALL,,,10

　　LMESH,ALL

　　/ESHAPE,1

　　EPLOT

　　结果如下图：

　　从上面的两个图中可以看出，全局坐标系并没有发生变化，但是截面的位置却发生了变化，笔者简单的说一下，其实梁的单元坐标系如下图所示;

　　梁为3维2节点单元，从图中可以看出来，始终从I节点指向J节点，单元坐标系的x轴指向梁的纵向，y和z轴组成的平面平行于截面，看下面的工字梁截面，如下图所示;

　　在单元坐标中，梁截面的指向分别如上图所示，梁的始端截面上的z轴(上图中的z轴)指向的方向点KB,同样梁的末端截面上的z轴指向方向点KE,这样的话就能控制截面的朝向，在后面的建模过程中很重要。

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

　　Location表示偏移的位置，分别为CENT,SHRC,ORIGIN和USER

　　后面建模用到的是USER,就是将梁的截面偏移到用户指定的位置(相对于横截面原点),主要由OFFSET1和OFFSET2来控制，即相对于截面原点的偏移量，如下图所示：

　　定义变截面梁

　　定义变截面梁也是此次建模的关键，为了节省材料，闸门的主梁、横隔板采用变截面梁。下面我用一个小例子说明;

　　命令流如下：

　　finish

　　/clear

　　/prep7

　　sectype,1,beam,i !定义截面1

　　secdata,160,120,200,10,10,8

　　sectype,2,beam,i !定义截面2

　　secdata,320,240,300,16,16,12

　　k,1

　　k,2,800,300

　　k,100,400

　　l,1,2

　　sectype,3,taper !定义变截面梁

　　secdata,1,kx(1),ky(1),kz(1)

　　!kx(1)表示1号节点的x坐标，这里建议直接用坐标值

　　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

　　效果如下图：

　　自定义梁的截面

　　这个是今天最后讲的，在钢闸门的边梁采用的是双腹板，这个截面在截面库里面找不到，因此需要自己定义截面，下面就用后面的定义的截面来说明;

　　命令流如下：

　　finish

　　/clear

　　/prep7

　　et,1,plane82 !自定义截面的单元只能用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 !进行面的对称操作

　　wpcsys,-1

　　aglue,all

　　lesize,all,,,1

　　amesh,all

　　secwrite,bl !自定义截面的存盘

　　finish

　　这里先建立闸门边梁的截面，并将截面的数据文件以后缀名为sect(当然可以自己定义后缀名)存到工作目录中，下面的命令是读入截面的数据，命令流如下：

　　sectype,6,beam,mesh !定义边梁

　　secread,bl,,,mesh !读入之前定义的边梁截面