三维绘图及有限元软件SolidWorks在启闭机设计中的应用研究

0 引言

    闸门和启闭机等金属结构和机械是水利水电枢纽的重要组成部分，与大坝、厂房、船闸等建筑物相比，它们似乎是次要的结构，但对工程的安全有效运行却至关重要，这次汶川大地震中，许多水利水电工程出现险情，多数是闸门、启闭机操作困难，无法控制库水位及下泄流量，甚至溢顶。启闭机主梁、门腿的强度和刚度对整个启闭机的安全可靠使用有很大的影响。为了保证启闭机的安全可靠，用有限元法对启闭机的主梁和门腿进行分析和优化是非常必要的。同时为了充分利用材料性能，降低制造和运输成本，用中的Cosmosworks插件对启闭机进行了优化。

1 启闭机的3D建模

    这里以金安桥水电站QM4000/1000kN门式启闭机为例，启闭机的主起升载荷4000kN，副起升载荷1000kN，首先根据经验设计的原始尺寸画出启闭机的分析模型。用有限元法求解结构问题时，如对实际结构直接进行分析，无论从问题的复杂程度或节省资源方面考虑都是不明智的，因此在满足确定性的前提下首先确定关键的部位，对实际结构进行合理简化。在简化的基础上，建立几何模型以满足有限元分析的要求。在建立启闭机3D虚拟样机模型时，应保证模型与实际结构尽可能相一致，以使模型能够反映启闭机的力学特性的原则下，对实际结构作必要的简化：忽略结构上的螺栓孔，假定所有焊缝为连续全焊透。不考虑焊缝处材料力学特性的变化，启闭机主结构所用的材料为Q345C。

2 启闭机的有限元分析和优化

2.1 分析过程

    (1)创建静态研究：由于启闭机工作时速度很低，在每个瞬间可以看作是静态的，因此采用静态研究。

    (2)指定材料：主结构所用材料为Q345C，材料常数：弹性模量E=2.06x 10⁵MPa；密度ρ=7850kg/m³；泊松比λ=0.3；许用应力[σ]_Q345C=218MPa。

    (3)载荷和约束：施加外载荷时应考虑主梁的均布载荷和集中载荷，把梁的自重和风载视为均布载荷，小车和起吊重物视为集中载荷，约束施加在四个门腿的下端。

    (4)网格划分：划分网格时应考虑网格的数量和疏密，分网精度根据分析目的及分析对象的受载情况、结构的尺寸等来决定，在此选用实体网格。

    (5)运行分析：当进行完设定材料、定义负荷和约束、对模型进行网格划分后，就可以进行分析了。

    (6)观察结果：运行分析后，系统自动生成一个标准的结果报告。