0 引言

　　閘門和啟閉機等金屬結構和機械是水利水電樞紐的重要組成部分，與大壩、廠房、船閘等建筑物相比，它們似乎是次要的結構，但對工程的安全有效運行卻至關重要，這次汶川大地震中，許多水利水電工程出現險情，多數是閘門、啟閉機操作困難，無法控制庫水位及下泄流量，甚至溢頂。啟閉機主梁、門腿的強度和剛度對整個啟閉機的安全可靠使用有很大的影響。為了保證啟閉機的安全可靠，用有限元法對啟閉機的主梁和門腿進行分析和優化是非常必要的。同時為了充分利用材料性能，降低制造和運輸成本，用Solidworks中的Cosmosworks插件對啟閉機進行了優化。

　　1 啟閉機的3D建模

　　這里以金安橋水電站QM4000/1000kN門式啟閉機為例，啟閉機的主起升載荷4000kN，副起升載荷1000kN，首先根據經驗設計的原始尺寸畫出啟閉機的分析模型。用有限元法求解結構問題時，如對實際結構直接進行分析，無論從問題的復雜程度或節省資源方面考慮都是不明智的，因此在滿足確定性的前提下首先確定關鍵的部位，對實際結構進行合理簡化。在簡化的基礎上，建立幾何模型以滿足有限元分析的要求。在建立啟閉機3D虛擬樣機模型時，應保證模型與實際結構盡可能相一致，以使模型能夠反映啟閉機的力學特性的原則下，對實際結構作必要的簡化：忽略結構上的螺栓孔，假定所有焊縫為連續全焊透。不考慮焊縫處材料力學特性的變化，啟閉機主結構所用的材料為Q345C。

　　2 啟閉機的有限元分析和優化

　　2.1 分析過程

　　(1)創建靜態研究：由于啟閉機工作時速度很低，在每個瞬間可以看作是靜態的，因此采用靜態研究。

　　(2)指定材料：主結構所用材料為Q345C，材料常數：彈性模量E=2.06x 105MPa;密度ρ=7850kg/m3;泊松比λ=0.3;許用應力[σ]Q345C=218MPa。

　　(3)載荷和約束：施加外載荷時應考慮主梁的均布載荷和集中載荷，把梁的自重和風載視為均布載荷，小車和起吊重物視為集中載荷，約束施加在四個門腿的下端。

　　(4)網格劃分：劃分網格時應考慮網格的數量和疏密，分網精度根據分析目的及分析對象的受載情況、結構的尺寸等來決定，在此選用實體網格。

　　(5)運行分析：當進行完設定材料、定義負荷和約束、對模型進行網格劃分后，就可以進行分析了。

　　(6)觀察結果：運行分析后，系統自動生成一個標準的結果報告。

　　這里把啟閉機的工作過程分為四種工況，每種工況下的應力、位移圖示如下：

　　工況1：副小車位于上游跨外7.45m起吊，主鉤空載位于跨中時的靜態節應力圖如圖1所示。

　　圖l 工況1時的靜態節應力圖解

　　Fig.l Static stress under the working condition 1

　　工況2：主鉤位于跨中起吊，副鉤空載位于跨外7.6m時，靜態節應力圖如圖2所示。

　　圖2 工況2時的靜態節應力圖解

　　Fig.2 Static stress under the working condition 2

　　工況3：副小車位于上游跨外7.45m，副鉤攜帶載荷運行制動，主鉤空載時靜態節應力圖如圖3所示。

　　圖3 工況3時的靜態節應力圖解

　　Fig.3 Static stress under the working condition 3

　　工況4：主鉤位于跨中，攜帶載荷運行制動，副鉤空載位于跨外7.45m時，靜態節應力圖與靜態位移圖如4所示。

　　圖4 工況4時的靜態節應力圖解

　　Fig.4 Static stress under the working condition 4

　　通過對以上結果的分析，最危險的為工況2，最大應力部位位于跨中，值為133.8MPa，小于218MPa，這里的最大應力包括應力集中部位的應力值，在非應力集中處，即使應力較大區域處的應力值也遠遠小于這個數值，另外通過4個工況最大位移在懸臂端，值為8.7mm,懸臂長13.5m，相應的許用撓度值為13500/800=16.9mm，也處在絕對安全的范圍內。從結果來看，可以對啟閉機的主梁和門腿進行優化。

　　2.2 對啟閉機的主梁和門腿進行優化

　　優化主梁和門腿的橫截面積和幾何尺寸：

　　(1)參數化設計變量：把主梁和門腿的幾何尺寸定義為設計變量，在以后的優化過程中將被改變以達到最佳值。

　　(2)設置實常數及定義材料屬性：對主梁和門腿的實常數分別進行設置。

　　(3)設置應力約束和位移約束：應力安全系數取1.3，則約束應力間[σ]≤[σ]Q345C/1.3=168MPa。

　　運行優化設計，以主梁上翼緣和腹板的優化結果為例，圖5為設計變量與設計組的關系。表1列出優化結果。

　　圖5 設計變量與設計組關系圖

　　Fig.5 The relation of Design variables and group

　　3 結論

　　對優化前后的數據進行對比，截面尺寸比原尺寸有所減小，減小了材料的用量，制造成本和運輸成本均下降，但原啟閉機在實際工作時，證明是安全可靠的，優化后的尺寸在理論上是可行的，但是在實際制造時，仍需根據實際情況和以往的經驗做出合理的選擇，在這里只是作為一種優化手段，只有各種情況都考慮進去，才能設計出安全可靠的啟閉機。