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弧形闸门流激振动研究

叶子青  
【摘要】: 弧形闸门被广泛地应用于水闸和大坝中,采用试验和数值模型结合的方法,有效的分析和评价表孔弧形闸门流激振动,具有重要的工程意义和学术价值。 本文阐明了研究弧形闸门局部开启时流激振动的理论,用水力模型试验测得了水流脉动压力的时空分布,用ANSYS软件和边界元程序建立了闸门的数值模型,以辽宁石佛寺弧形闸门为例,计算了弧形闸门的自振特性,以及闸门局部开启工作时的振动反应,并对闸门运行的安全可靠性进行了评价。 弧门流激振动是流固耦合振动,目前难以精确求解闸门和水体耦合振动的运动方程。为了获得方程的近似解,本文将作用在闸门上的水动力荷载分为两个部分,一是闸门无振动时的水流压力,用水力模型试验测定;二是由于闸门振动引起流场扰动的动水压力,通过运动方程中的附加质量阵,附加阻尼阵和附加刚度阵来等效。 在水力模型试验中,采用了自制的面压力量测装置,实现了点压力到面压力的转换。采用DJ800多功能监测系统对模型多个测点的脉动进行了同步测量,获得了各测点脉动压力的时域过程。并把脉动压力时程作为荷载作用在有限元模型上。 采用功能强大的ANSYS软件实现了闸门结构的有限元建模。运用自编边界元程序计算了闸门扰动时动水压力的分布,进而推导了附加质量阵的简化求法。在模态分析中,精确得到了闸门有水和无水时自振的频率,直观地观察了闸门自振振型。并针对闸门的设计,提出了优化方案。 在论文的最后,运用ANSYS进行了瞬态时程计算,分析了石佛寺闸门在局部开启工作时的振动位移和应力。运用动力可靠度分析,采用首次超越破坏机制,评价了闸门在各种工况下工作时的动力可靠性。


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