Análisis de caso: ¿Método de cálculo del método de elementos finitos para la estructura de la esclusa?
El proyecto de la esclusa es una estructura hidráulica relativamente común que puede controlar los cambios en el nivel y el flujo del agua, y desempeña un papel clave en la generación de energía, el control de inundaciones, el riego, el transporte marítimo, etc. Según estadísticas pertinentes, en mi país se han construido alrededor de 50.000 esclusas de diversos tipos, incluidas más de 40.000 esclusas pequeñas y medianas, más de 3.280 esclusas medianas y más de 480 esclusas grandes. Primero en el mundo actual.
La construcción de compuertas puede mejorar las capacidades de drenaje y resistencia a la sequía de las zonas llanas, promover el desarrollo agrícola local y hacer una gran contribución a la seguridad alimentaria de mi país. Seleccione el método de análisis de elementos finitos para crear un modelo tridimensional de elementos finitos. Al mismo tiempo, también se considera la interacción entre el piso, los pilares de la puerta y los cimientos. Los resultados obtenidos de esta manera pueden reflejar de manera más realista y precisa. la estructura real de la esclusa. La situación proporciona una base científica para el diseño de optimización estructural de la compuerta de suministro de agua. Por lo tanto, el análisis de elementos finitos de la estructura de la esclusa juega un papel muy importante.
Las compuertas son estructuras hidráulicas ampliamente utilizadas en proyectos hidroeléctricos y de conservación de agua, como generación de energía, control de inundaciones e irrigación. en zonas llanas. La mayoría de las compuertas se construyen sobre cimientos de tierra y sus placas inferiores están sostenidas por los cimientos. La cámara de la compuerta se compone de una estructura espacial compuesta por el sistema de cimientos.
En el diseño actual de esclusas de tamaño grande y mediano en mi país, el método de cálculo estructural típico es separar la placa de fondo, pilares de compuerta, puentes de trabajo, etc. de la cámara de la esclusa y utilizarlos como componentes independientes para el cálculo y análisis, simplificándolos en dos. Se aborda el problema plano de la dirección:
En el sentido vertical del flujo, la placa inferior de la compuerta está formada por listones de un solo ancho, y la resistencia se calcula en función de la viga; en la dirección a lo largo del flujo, el pilar de la puerta se basa en la viga en voladizo comprimida excéntricamente. Los componentes se calculan utilizando el método de mecánica de materiales de acuerdo con los métodos de cálculo comúnmente utilizados en la especificación. El método de distribución lineal de la fuerza de reacción y el método de la viga invertida se dividen en: el método del coeficiente del lecho de cimentación, el método de la viga de cimentación elástica de profundidad finita y el método de la viga de cimentación elástica de profundidad semiinfinita. La característica más común de estos métodos es que el método transversal. La placa de sección es una viga, y se supone que la fuerza de reacción de la base se distribuye uniformemente a lo largo de la dirección lateral de la cámara de la esclusa, y se supone que la base Tanto la placa base como la placa base son cuerpos elásticos, que no reflejan el efecto general causado por la influencia mutua de fuerzas sobre varios componentes de la estructura. Las esclusas abiertas generalmente no consideran la influencia del puente de trabajo en la estructura superior del pilar de la puerta. Aunque estos métodos de cálculo son relativamente simples, cada método tiene limitaciones relativas. La consideración de las condiciones de contorno es demasiado simple y la deformación de cada uno. El componente no se puede coordinar y el manejo de la carga es demasiado ideal. La teoría de cálculo y los resultados de medición en el sitio obtenidos del modelo mecánico son algo diferentes de las características reales de deformación y tensión. Por lo tanto, establecer un modelo mecánico de compuerta de agua y seleccionar un método de cálculo realista son vínculos importantes que afectan la exactitud de los resultados del cálculo estructural. Para aquellas estructuras de cámara de esclusa con condiciones de tensión complejas, se debe considerar como una estructura general y se debe seleccionar el método de elementos finitos espaciales para analizar la deformación y la tensión.
1. Principios y procedimientos de cálculo
La discretización de la estructura es el método de análisis de elementos finitos. La estructura se discretiza con un número finito de unidades, reemplazando así el continuo original. estructura para analizar la tensión de deformación. Esta parte del cuerpo unitario solo estará fuertemente conectada en los nodos. La relación entre la deformación {ε} y la tensión {σ} del material se puede expresar como:
{σ}=[D]. ]{ε} (1)
[D] es la matriz de rigidez Con base en el principio de desplazamiento virtual, se puede establecer la relación entre el desplazamiento del nodo y la fuerza del nodo del cuerpo unitario, y la relación general. La ecuación del trabajo virtual se puede escribir:
[K]{ δ}={R} (2)
{R} es la matriz de carga del nodo aplicada, {δ} es el nodo matriz de desplazamiento que se debe encontrar, [K] es la matriz de rigidez y se aplica la carga. El desplazamiento se puede encontrar en el nodo usando la ecuación (2), y la tensión y la deformación se pueden calcular usando la fórmula (1). Este conjunto de principios no sólo es aplicable a los elastómeros, sino también a los cuerpos elástico-plásticos. En la estructura elástica lineal, las matrices [K] y [D] son constantes, sin embargo, en el modelo elástico-plástico, ya no son constantes. Las matrices [D] y [K] son variables, y [D]=. [D]ep pertenece a la elasticidad. La matriz del modelo de plasticidad se determina con base en la teoría de la plasticidad.
La tensión estructural se puede obtener mediante el análisis general y el proceso de análisis unitario. En este análisis se utiliza el programa ANSYS.
2. Modelo de cálculo
Para reflejar bien las características de los diferentes materiales de la cámara de la esclusa y la base, se utilizan unidades elásticas ordinarias para la cámara de la esclusa durante el análisis, y el La base adopta Es un modelo elastoplástico, el criterio de rendimiento de Druck-Prager (aquí denominado criterio D-P), el programa ANSYS puede seleccionar la opción de material D-P para la base y seleccionar el criterio de rendimiento D-P para juzgar el rendimiento. -La superficie de fluencia de Prager es la superficie de fluencia de Mohr-Coulomb, la superficie de fluencia no cambiará a medida que el material cede gradualmente y el comportamiento plástico es la plasticidad elástica ideal. Este criterio controla simultáneamente el criterio de fluencia de la energía de deformación volumétrica, media. tensión, segundo invariante de tensión desviadora y energía de cambio de forma Considere que la función de fluencia es:
En esta fórmula: α, K: constantes materiales del criterio D-P I1: el primer invariante del estado de tensión; J2: el segundo invariante del desviador de tensión; con De las condiciones de deformación plástica, se puede deducir la relación entre las constantes del material α y K del criterio D-P y las constantes del material C y φ del criterio M-C:
En esta fórmula: C es la fuerza de cohesión, Φ es el ángulo de fricción interna, los parámetros se determinan experimentalmente. En este análisis de elementos finitos, todos los elementos sólidos se simularon seleccionando elementos hexaédricos SOLLD45. Los elementos están definidos por ocho nodos. Cada nodo tiene tres grados de libertad a lo largo de las direcciones Z, X e Y, y tiene expansión y plasticidad. -capacidad de deformación mejorada. Se selecciona el modelo constitutivo D-P para los cimientos para la simulación, y se selecciona el modelo de material del cuerpo elástico lineal para la estructura de concreto en la cámara de la esclusa.
3. Análisis de ejemplos de aplicación
1. Datos básicos
Tomando como ejemplo la puerta de desvío de Chengpi en el área de riego del embalse de Huangshandong, utilizando el espacio general. Análisis de elementos finitos, esta esclusa es una esclusa abierta con 2 orificios. La cámara de la esclusa tiene 7 metros de largo y 12,4 metros de ancho. Cada muelle tiene 6,7 metros de alto, el ancho neto es de 5 metros y la placa inferior tiene 1,2 metros de espesor. . Basado en una base de arena y grava, el módulo de deformación del material E = 31 MPa, cohesión C = 0, relación de Poisson μ = 0,2, ángulo de fricción interna Φ = 300, el hormigón de la cámara de compuerta es C25, relación de Poisson μ = 0,3, elástico transversal La cantidad E = 25 GPa, la densidad aparente del hormigón γ = 24 KN/m3, el nivel normal de almacenamiento de agua aguas arriba de la esclusa es de 34,40 metros, el nivel de inundación verificado es de 36,39 metros y la elevación del fondo de la esclusa es de 31,40 metros.
2. Condiciones de trabajo calculadas
Condición de trabajo 1 (período de finalización): efecto de peso propio
Condición de trabajo 2 (nivel normal de almacenamiento de agua durante la operación) : Peso propio, empuje de la compuerta, presión del agua y presión de elevación;
Condición de trabajo 3 (comprobación del nivel de inundación durante la operación): peso propio, empuje de la compuerta, presión del agua y presión de elevación.
3. División de malla
Para establecer un modelo de elementos finitos para el cálculo estático general de la esclusa, los muelles de la esclusa, los puentes de trabajo y las cimentaciones deben procesarse según unidades sólidas, con la cámara de la esclusa como el foco estructural se considera en el cálculo, por lo que la malla en la cámara de la esclusa es relativamente densa y la parte de la base conectada a la cámara de la esclusa es relativamente escasa. El área de cálculo del modelo completo se divide en un total de 4152. unidades y 5635 nodos. El modelo de cimentación está en la cámara de la esclusa. Los dos lados del límite de la cámara y debajo de los cimientos se extienden cada uno diez metros como límite del modelo, como se muestra en la Figura 1 (sistema de coordenadas: el origen está en la esquina de los cimientos). punto aguas abajo del modelo de cámara de esclusa, el eje X es desde la orilla izquierda a la orilla derecha, el eje Y es la dirección vertical, el eje Z está a lo largo de la dirección del agua).
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