文档介绍：2004 ANSYS 中国用户论文集
闸门伸缩式止水结构的有限元分折
杨志伟王先学孟宁
国家电力公司贵阳勘测设计研究院,贵阳 550002
[ 摘要] 本文结合工程实例,利用超弹性材料单元和接触单元对钢闸门止水充压后的变形、接触和反力过
程进行计算分析,所获初步成果与原型试验比较吻合,据此提出的钢闸门止水有限元彷真分析
具有一定的实用价值。
[ 关键词] 超弹性材料;超弹性材料单元:接触单元:目标单元
大型水工钢闸门的止水通常使用的橡胶、聚合物等材料是属于超弹性材料,所谓超弹
性材料即该材料在受力后会产生较大的可恢复(弹性)变形,而体积没有明显变化,是一种
不可压缩的或近似不可压缩的即泊桑比(μ)接近于的材料。该材料性质不同于一般弹
性、弹塑性材料,呈现比较复杂的应力~应变关系(应力~应变关系曲线存在无和一至二个
拐点)。
以前大型工程的止水性能是通过 1:1 的结构模型试验或原型试验加以验证。本文利用
大型结构分折软件()专门提供的超弹性材料单元(Mooney-Rivlin),对某水电
站大型弧形闸门的伸缩式止水结构进行模拟分折,探索止水体的受力变形过程和特性。
1 止水体有限元分析的特点
东风水电站左、右中孔弧形闸门,孔口尺寸 5×6m2,设计水头 80 m,闸门采用伸缩
式水封装置,水封装置由框形水封(止水体)、水封座、压板、螺栓等组成,金属的水封座
安装在门槽埋件上,通过螺栓,由压板将止水橡胶两翼压紧在水封座上,以形成充水压力腔。
闸门关闭后,压力腔充水压,水封受压后水封头部伸出、顶紧闸门面板使闸门止水,
然后充水系统稳压,闸门处于挡水状态。

1—闸门面板 2—钢压板△—约束∣—预压
图 1 止水体和边界约束条件
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2004 ANSYS 中国用户论文集
由超弹性材料组成的止水结构的有限元分折包含了非线性分折的三个方面即材料非
线性、状态改变非线性和几何非线性,分述如下:
材料非线性
超弹性材料是一种非线性材料,它的应力~应变关系较一般弹性、弹塑性材料更为复
杂,软件提供的超弹性材料单元(Mooney-Rivlin)须由材料常数加以描述,根据应力~应变
曲线的形状,没有拐点(单曲率)的曲线需要 2 个材料常数,一个拐点(双曲率)的曲线需
要 5 个材料常数,二个拐点的曲线则需 9 个材料常数。若材料常数未知,可用材料试验的测
试数据经计算确定。
本工程给出的三种水封材料的试验值见表 1
表 1 三种水封材料弹性模量试验值(Mpa)
变形拉伸压缩
材料类型 100% 200% 20% 30% 40%
005 ~ ~ ~ ~ ~
006 ~ ~ ~ ~ ~
007 ~ ~ ~ ~ ~
采用公式σ=E×ε
式中:σ-应力(Mpa)
E- 弹性模量(Mpa)(取上表的平均值)
ε-应变
得 005 水封材料应力~应变测试值见表 2
表 2 005 水封材料应力~应变测