弧形闸门静动力特性分析研究
水工弧形工作闸门结构动特性研究
第４ ２卷
２ｌ ０ １年第 ４期
水 工 弧形 工 作 闸 门结 构 动 特 性研 究
兰 文 改 ，赵 新 铭 ，唐 咏 ，骆 少泽
（ ．华北 水利 水 电学 院 土 木 与 交通 学 院 ，河南 郑 州 ４ ０ １ ；２ １ ５ ０ １ ．南京航 空航 天大 学 土 木 工程 系 ， 江苏 南 京 ２ ０ １ ；３ １０ ６ ．南京 水利 科 学研 究 院 ，江 苏 南 京 ２０２ ） １０ ９
ｇ ｔ ｓ ｓｕ ｉｄ ｂ ｈ ｔ ｏ ｆｅ ｐ ｒｍｅ ｔｌｍｏ ａ ｎ ｌ ｓｓ ａ ｄ ＡＮＳ ｎ ｔ ｌ ｍｅ ｔｍｅ ｈ ｄ ｒ ｓ ｅ ｔ ｅｙ ａ ｅ ｉ ｔ ｄ ｅ ｙ ｔ ｅ ｍｅｈ ｄ ｏ ｘ ｅ ｉ ｎ ａ ｄ ｌａ ａ ｙ ｉ ｎ ＹＳ ｆ ｉｅ ｅ ｅ ｎ ｔ ｏ ｅ ｐ ｃ ｉ ｌ ．Ｔｈ ｔ ｄ ｅ ｉ ｖ ｅ ｓｕ ｙ ｒ —
（ ． ｃｏｌ ｆ ｉｌ ｎｉｅｒ ｇａｄＣ ｍ ｎｃｔ ｎ ｏｔ Ｃ ｉａＵ ｉｅｓｙｏ ｔｒ ｅｏｒｅ ｎ ｌｃ ｃＰｗ ｒ Ｚ ｅｇｈ ｕ ４０ １ ， １ Ｓｈｏ ｏ Ｃｖ ｇ ｅ ｎ ｎ ｏ ｍｕ ｉ ｉ ，Ｎ ｒ ｈｎ ｎｖｒｉ ｆ ｉＥ ｎ ｉ ａｏ ｈ ｔ Ｗａｅ ｓｕｃｓａｄＥｅｔ ｏ ｅ， ｈ ｎｚｏ ５ ０ Ｒ ｉ ｒ １
ｏ ｅ ｇ ｔ ｓ ｗ ｌ— ｏｎ ｉ ｅ ｔ ｈ ａａ ｇ ｔ ｒ ｍ ｈ ｘ ｅ ｉ ｎ ａ ｄ ｌ ｎ ｌ ｓｓ ｎ ｈ ｎ ｔ ｅ ｄ ｓｇ ｆｔ ｅｇ ｔ ｔｕ ｔ ｒ ｆｔ ａ ｅ ｉ ｅ ｌｃ ｉ ｃ ｄ ｄ ｗｉ ｔ ｅ ｄ ｔ ｏ ｏ ｔ ｅ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔ ｌ ｈ ｈ ｆ ｍｏ ａ ａｙ ｉ ，ａ ｄ ｔ ｅ ｅ ｉ ｎ ｏ ａｅ ｓｒ ｃ ｕ ｅ ａ ｈ ｈ
泄洪底孔弧形闸门-闸墩耦合动力特性及支臂优化研究
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与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
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(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日中文摘要水工弧形闸门是重要的挡水和泄水建筑物，其安全对整个枢纽至关重要。
但由于闸门属于薄壁轻质结构，在动水荷载下容易发生振动，对闸门动力特性的研究显得十分必要。
闸门面板承受动水荷载作用，然后通过支臂和支铰将水压力传给闸墩，所以闸门振动要受到水体和闸墩的影响。
而且，闸后不同泄流条件，如淹没出流和自由出流，闸门振动响应又不尽相同，所以闸门振动是复杂的流激振动问题。
物理模型试验和数值计算结果可以对比验证，确保两者的正确性，所以试验和数模相结合是一种研究闸门振动的有效方法。
本文结合澜沧江里底水电站泄洪底孔弧形工作闸门，通过试验和数值计算对其流激振动特性进行了研究，并进行支臂优化设计。
主要研究内容如下：(1) 根据模型试验原理和要求，选择合适水弹性材料，按一定的几何比尺设计了闸门水力学和水弹性模型，进行了闸门荷载量测和流激振动响应试验，并分析试验结果。
(2) 利用ANSYS建立水体-闸门-闸墩耦合数值模型，将物理模型试验结果与数值计算结果进行了对比，验证了两种方法的正确性，然后与不考虑水体的闸门-闸墩耦合数值模型以及闸墩刚性处理的数值模型的计算结果进行对比，分析了闸墩和水体各自对闸门振动的影响。
潜孔弧形闸门静力有限元分析结果对平面体系计算结果的验证
潜孔弧形闸门静力有限元分析结果对平面体系计算结果的验证郭忠武;罗成英;贺开宇【摘要】目前,对于弧形钢闸门刚度、强度校核基本上是按照常规的平面体系进行结构计算,其计算结果不能有效反映闸门的空间效应.对于空间效应较强、结构较为复杂的大型水工钢闸门,宜用空间有限元复核计算结构.介绍了利用ANSYSY软件对某电站泄洪闸弧形闸门进行的三维有限元分析.从结构刚度和强度两个方面,对在最大水压力作用下闸门的安全性进行了分析,得出了一些有益结论并用于指导某电站的闸门设计.对初学三维设计者具有一定的参考意义.【期刊名称】《四川水力发电》【年(卷),期】2016(035)001【总页数】3页(P89-91)【关键词】弧形闸门;有限元;刚度;强度【作者】郭忠武;罗成英;贺开宇【作者单位】四川省清源工程咨询有限公司,四川成都610072;四川省清源工程咨询有限公司,四川成都610072;四川省水利水电勘测设计研究院,四川成都610072【正文语种】中文【中图分类】TV7;TV735;TV22某水电站正常蓄水位以下水库库容为173.85万m3，日调节库容为110.89万m3，引用流量为161.8 m3/s，装机容量为3×38 MW，单独运行多年平均年发电量为4.773亿kW·h。
最大闸(坝)高27.5 m，泄洪闸段宽23.5 m，顺水流向长35 m，设置三孔水头为22.5 m，孔口尺寸为8 m×10.5 m (宽×高)的潜孔弧形工作闸门，该闸门的主要功能是在正常水位下闭门挡水，汛期开闸泄洪并可局部开启调节流量。
该泄洪闸弧形闸门横向设置2根主横梁，14根次横梁，纵向设置7根纵梁，横、纵向梁均与弧形面板相焊接。
主横梁采用箱型梁结构，次横梁由工字钢或槽钢构成，两边支臂为A形箱型斜支臂。
闸门结构采用液压启闭机启闭，操作条件为全水头动水启闭。
目前对于水工钢闸门的设计计算规范的方法是将其简化分解为若干基本部件，再按平面体系对每一部件进行设计计算[1]。
布置压杆的弧形钢闸门静动力特性分析
第 38 卷 增刊Vol.38 Suppl工 程 力 学2021年6 月June2021ENGINEERING MECHANICS144文章编号：1000-4750(2021)Suppl-0144-07布置压杆的弧形钢闸门静动力特性分析张中昊1,2，兰佳欣1，汪可欣1(1. 东北农业大学水利与土木工程学院，黑龙江，哈尔滨 150030；2. 哈尔滨工业大学土木工程学院，黑龙江，哈尔滨 150090)摘 要：采用通用有限元软件ANSYS建立了布置压杆的弧形钢闸门有限元模型，对压杆布置闸门模型和传统闸门模型进行了静动力特性对比研究，验证了压杆布置的有效性。
根据闸门运行特点，于支臂分叉点和纵梁下翼缘处均匀布置压杆，通过有限元模型分析了压杆布置对弧形闸门的静动力特性的影响，对两种型式下的闸门分别进行了静力分析、模态分析和谐响应分析。
结果表明：所提出的压杆布置闸门在静水荷载作用下的应力和位移有大幅度降低，在用钢量增加极小的情况下闸门整体极限承载能力得到大幅度提升；闸门在无水关闭情况下的自振频率随着压杆的布置而增大；压杆布置闸门的幅值响应频率增大，各关键节点响应幅值降低，达到了提升结构整体稳定和抗振性能的目的。
关键词：弧形闸门；压杆；极限承载力；静力特性；自振频率中图分类号：U231+.4 文献标志码：A doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.04.S025ANALYSIS OF STATIC AND DYNAMIC CHARACTERISTICS OF RADIAL STEEL GATE WITH COMPRESSION BARSZHANG Zhong-hao1,2 , LAN Jia-xin1 , WANG Ke-xin1(1. School of Water Conservancy & Civil Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin, Heilongjiang 150030, China;2. School of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin, Heilongjiang 150090, China)Abstract: The finite element software ANSYS was used to establish the finite element model for the radial steel gate with compression bars. The static and dynamic characteristics of the gate with compression bars were compared with the traditional gate, and the effectiveness of the arrangement of compression bars was verified. According to the operation characteristics of the gate, compression bars were evenly arranged at the branch point of the arm and the lower flange of the longitudinal beam. The influence of the compression bar arrangement on the static and dynamic characteristics of the radial gate was analyzed by the finite element model. The static analysis, modal analysis and harmonic response analysis were carried out for the two types of gates. The results indicate that: the stress and displacement of the proposed gate with compression bars are greatly reduced under the hydrostatic load, and the overall ultimate bearing capacity of the gate is greatly increased with the minimum increase of steel consumption; in the case of no water closure, the natural frequency of the gate increases with the arrangement of the pressure bar; the amplitude response frequency of the pressure bar arrangement gate increases, and the response amplitude of each key node decreases, which achieves the purpose of improving the overall stability and anti-vibration performance of the structure.Key words: radial gate; compression bar; ultimate bearing capacity; natural frequency; vibration characteristics收稿日期：2020-04-26；修改日期：2020-11-26基金项目：黑龙江省自然科学基金项目(E2018007)；国家自然科学基金项目(51109037)；中国博士后基金项目(2015M571421)；黑龙江省博士后科研启动基金项目(LBH-Q17025)通讯作者：汪可欣(1980−)，女，辽宁开原人，副教授，博士，从事水土资源开发利用与管理研究(E-mail: *********************).作者简介：张中昊(1980−)，男，哈尔滨人，副教授，博士，硕导，从事水工钢结构、大跨空间结构研究(E-mail: *************************);兰佳欣(1996−)，女，哈尔滨人，硕士，从事水工结构研究(E-mail: *******************).水工闸门种类和形式繁多，弧形闸门因其孔口面积大、闸墩结构简单、过水条件好、启闭方便、埋件少等特点而应用最为广泛[1]。
研究弧形闸门静水压力项目报告
研究弧形闸门静水压力项目报告研究弧形闸门静水压力项目报告一、引言弧形闸门作为水工建筑中常见的一种类型，其在水利工程中扮演着至关重要的角色。
而对于弧形闸门的静水压力项目报告更是其中的重要组成部分。
在本文中，我们将从多个方面对研究弧形闸门静水压力项目报告展开探讨，以期为读者全面呈现该主题的深度和广度。
二、静水压力的概念静水压力，顾名思义即为水在静止状态下所产生的压力。
在水利工程中，特别是弧形闸门所涉及的水工建筑中，静水压力一直都是需要深入研究的一个重要领域。
它不仅与工程结构的设计和稳定性息息相关，同时也直接关系到水利工程的安全性和高效性。
三、弧形闸门的结构特点弧形闸门是一种在水工建筑中常见的水利工程设施，其独特的结构特点使得其在水利工程中有着广泛的应用。
相比于传统的直角闸门，弧形闸门在水力学特性和结构设计上有着明显的优势。
其特殊的曲线形状不仅可以减小进出水时的冲击损失，同时也可以有效地减小静水压力对闸门的影响，从而提升了闸门的使用性能。
四、弧形闸门静水压力分析在弧形闸门的设计和使用过程中，静水压力一直是需要重点关注和研究的对象。
静水压力的分布和作用对闸门的稳定性和安全性有着重要的影响。
通过对静水压力的深入分析和研究，不仅可以优化弧形闸门的设计方案，同时也能够提升其在水利工程中的应用效果。
五、研究方法和实验设计为了深入了解弧形闸门静水压力的分布规律，我们设计了一系列的研究方法和实验方案。
通过数值模拟和实际测量相结合的方式，我们得出了一系列准确的数据和结论。
该研究方法不仅保证了实验结果的准确性和科学性，同时也为后续的工程应用提供了重要的参考依据。
六、结果与讨论基于我们的研究方法和实验设计，我们成功地得出了关于弧形闸门静水压力的相关数据和结论。
通过对实验结果的深入分析和讨论，我们发现弧形闸门的静水压力分布呈现出一定的规律性。
我们也对这些规律性提出了一些建设性的建议和意见，以期为工程设计和实际应用提供重要的参考价值。
弧形钢闸门的动力稳定分析
致； 而参数共振发生在参数空间的若干个连续区域内， 参数共振的 响应频率与激振频率不一致 ， 且参数共振方 向与激励方向正交 。 Ｊ
２ ２ 弧形 钢 闸门振动 破坏原 因分 析 ．
弧形 钢闸门本 身是 一个 复 杂 的空 间杆 系结 构 ， 一般 由面 板、 梁格及支臂构成 。分析 闸 门的振 动 时 ， 把面板 与梁格作 可 为一 个部 件（ 面板梁 格 ） 即 来考 虑 ， 而认为 闸 门系统 由启 闭 因
人们 的广泛关注 。在 国内外均 有低水 头弧形 闸 门失事破坏 的 事例 ， 如美 国麦 克莱伦一 克尔 阿肯河航 运系统 的弧形 闸门的破
坏 。究其 原因 ， Ｊ 有两点值得 注意 ： 失事 闸门均是 因支臂 丧 ①
失稳定 ， 生弯扭屈 曲 ， 致整个 闸 门失去挡 水能力 而遭 受破 发 导
坏 ， 主要是 因闸门设计不 当， 这 门叶与支臂的 刚度 分布不均 ， 主
梁与支臂的单位刚度较大 ， 支臂刚度相 对较弱所致 。②从破 坏
外 因来看 ， 失事 闸 门均 是在 明显 振动 荷 载 的作 用 下发 生破 坏 的； 闸门失事 过 程来 看 ， 多 闸门破 坏 时， 往 发生 强烈 振 从 许 往 动 。由此可见 ， 由弧形 钢闸 门振动 引起 的破 坏 ， 是弧形 闸门失
向振动 （ 即动力屈 曲） 而另一些组合 ， 件则不会 出现强烈的 ， 杆
横向振动。 因此 ， Ｐ 、 ｌ 在 ０Ｐ 、 和 ∞的参数空 间中 ， 将形成动力稳 定区和动力失稳区 ， 两个 区域 的边界构成杆 件或框架 的临界荷 载区。 这类动力屈 曲现象 即所 谓的参 数共振 。 数共 振与一 般 参 的强迫共振有本质的区别 ： 迫共 振发 生在若 干个离散 点上 ， 强 共振的响应频率与激振 频率 一致 ， 共振 的方 向与激励 方向一 且
弧形钢闸门有限元动力分析
弧形钢闸门有限元动力分析摘要：水工钢闸门在静水和动水启闭过程中，受到水压力作用而引起的闸门振动，闸门振动对人类来说百害无一利，必须避免它，减少它。
为此，必须弄清闸门振动的根源和振动对闸门强度、刚度、稳定性的影响，利用有限元法对闸门进行动力分析，用理论计算结果来指导闸门的动态检测试验和校核试验的结果。
因此闸门动力的有限元分析可作为闸门原型动态检测或模型的动力试验的补充和验证。
闸门有限元分析能有效的解决闸门原型检测中所不能解决的一些问题。
本文利用美国大型有限元分析软件ANSYS对弧形闸门的在静水和动水中的启闭进行理论的分析和研究，为年限已久、锈蚀严重的闸门进行安全评估提供必要的试验和理论计算基础，也为弧形钢闸门的设计提供参考依据。
关键词：弧形钢闸门；ANSYS有限元；分析；应用本文主要研究的是：（1）钢闸门空间有限元计算模型的建立；（2）闸门现场结构测试与分析。
1.1某水库溢洪道闸门简介某水库是以防洪、城市供水、灌溉为主，兼顾发电的综合利用水库。
水库防洪标准为500年一遇洪水设计，10000年一遇洪水校核。
土坝为均质土坝，长445m，最大坝高21.5m，坝顶高程为194.50m，坝顶宽度为6.0m，防浪墙顶高程为195.70m。
陡槽式溢洪道，由引水渠、闸段、整流段、陡槽段、渥奇段、消力池段、海漫段、防冲槽段、尾水渠段组成。
溢洪道共三孔，闸门尺寸12m×5.4m-7.0m，堰顶高程为182.00m。
现场检测时坝前水位188.13m。
为了从理论上验算闸门的强度情况，本次对水库钢工作闸门进行了有限元计算分析，有限元分析计算的具体工况为：钢工作闸门在设计水头（10.51m）的工况。
1.2有限元模型的建立（1）模型的导入将CATIA的模型以model格式导入ANSYS，经过对比验证，导入模型正确，具体见图1-1。
图1-1 ANSYS中闸门模型（2）单元体选择闸门仿真分析可以通过两种方式实现：①三维实体有限元模型，使用solid186单元体，优点是模型细节体现较好，缺点计算量较大，适合计算复杂空间几何体；②三维片体有限元模型，使用shell63单元体，优点是计算量较小，缺点是无法体现例如焊接等细节部分。
大型弧形闸门静力特性有限元分析
０ 引言
保 闸门安 全 可 靠 运行 。本 文 以该 工 程 为 实 例 ， 立 建
了大 型弧 形 闸门 的有 限元 分析 模 型 ， 用 Ａ Ｓ Ｓ软 应 ＮＹ
水 工钢 闸 门 的设 计 计 算 ， 目前 规 范 的方 法 是 将 件对 其在 各 种工况 下 的支 铰反 力 、 闸门应 力 、 移 挠 位
Ｆｉ ｉ ｌ ｍｅ ｔａ ａｙ ｉ ｆｓａ ｉ ｈ ｒ ｃｅ ｉｔ ｓ ｏ ａ ｇ — ｉｅ ａ ｉ ｌｇ ｔ ｎ ｔ ｅｅ ｎ ｎ ｌ ｓｓｏ ｔｔｃ ｃ ａ ａ ｔ ｒｓｉ ｆｌ ｒ ｅ ｓｚ ｄ ｒ ｄ ａ ａｅ ｅ ｃ
谢 智雄 ， 周建方
ＸＩ ｈ —ｉｎ Ｚ Ｅ Ｚ ｉｘｏ 河海 大学 机 电工程学 院 ， 江苏 常州 ２ ３２ ） １０ ２
（ ｏｌｇ ｆＭｅ ｈ ｎｃ ｌ＆ Ｅ ｅ ｔｃ ｌＥ ｇｎ ｅ ｎ ｆＨｏ ａ Ｕｎｖ ｒｉ ， ａ ｇ ｈ ｕ２ ０ ２， ｉａ Ｃ ｌ ｅｏ ｃ ａ ｉａ ｅ ｌｃｒ ａ ｎ ｉｅ ｒ ｇｏ ｈ ｉ ｉｅｓ ｙ Ｃｈ ｎ ｚ ｏ ２ Ｃｈｎ ） ｉ ｉ ｔ １ ３
ｓ ｃ ｓ ｒ ａ ｔｏ ｕ ｈ ａ ｅ ｃｉｎ，ｓｒ ｓ ｔｅ ｓ，ｄｉｐｌｃ ｍｅ ｔａ ｌｘｉｉｉｙ ｂａ ｅ ｎ ｔｅ ｓ ｉｌ ｙ ｒ ｄ ａ ａｅ ｓａｉ ｒ ｂｌｍｓ ｉ ｙ ｒ — ｓ ａ ｅ ｎ ｎｄ ｆｅ ｂ ｌ ｓ ｄ ｏ ｈ ｐ ｌ ｔ ｗａ ａ ｉｌｇ ｔ ｔｔｃ ｐ ｏ ｅ ｎ ａ ｈ ｄ ｏ ｐｏ ｒｓａｉｎ． Ｔｈｅ Ｆ ｗｅ ｔ ｔ ｏ ＥＭ ｄ ｌｉ ｒ ａｅ ｍｏ ｅ ｓ ｃ ｅ ｔ ｄ． Ｔｈ ｒｓ ｌ ｃ ｌ ｌｔ ｄ ｉ ｕ ｅ ｕ ｎ ｏ ｉ ｍ ｅ ｉ ｎ ｏ ｈ ａｅ ｓｒ ｃ ｕ ｅ。 ｅ ｅ ｕ ｔ ａｃｕａ ｅ ｓ ｓ ｆ ｌｉ ｐｔｍｕ ｄ ｓｇ ｆｔ ｅ ｇ ｔ ｔｕ ｔ ｒ
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弧形闸门静动力特性分析研究吴琦斌摘要：建立了某水电站大型弧形闸门的有限元模型,分析和研究了在闭门挡水状态的闸门主要部件的应力状态和变形情况。
并对闸门在考虑流固耦合和不考虑流固耦合两种情况下的自振特性(频率和振型)进行研究。
为闸门的结构优化设计提供了依据。
关键词：弧形闸门；静力特性；自振特性；流固耦合The Radial Gate Static And Dynamic Characteristics AnalysisResearchWu qibinAbstract：The finite element model of a hydropower station large radial gate was established. The main components stress and deformation state of gate was analyzed and researched in the condition of closed water retaining. Natural vibrationcharacteristics (frequency and vibration mode) of the gate were performed considering fluid-structure coupling and ignoringfluid-structure coupling. The analysis and research provide the basis for structure optimization design of the gate.Key words: radial gate; static characteristics; natural vibration characteristics; fluid-structure coupling0 引言弧形闸门被作为水闸中最简单、经济、灵活的一种门型，得到了广泛的应用。
然而在我国几十年的使用过程中，还是出现了不少的问题，通过对闸门的破坏事件[1]统计可知：一方面是由于设计及结构布置的不合理，如按平面体系设计时不能准确反应闸门各构件间的相互联系以及非计算构件在闸门上的作用，使得某些关键部位安全富裕度不够、闸门两侧止水漏水引起的闸门自激振动，支臂刚度较差导致的支臂失稳破坏；传统的闸门大多是按平面结构体系方法进行设计，仅在主框架平面内进行计算，不能全面反映闸门的空间受力情况，会造成闸门强度和整体结构的不协调[2]。
另一方面是由于闸门在启闭及局部开启运行中由于外部激励源的作用而产生振动，当激励源的频率与结构的固有频率接近时，结构会发生共振，造成闸门及周围建筑物的破坏。
因此对已设计运行的弧形闸门进行静力及动力特性分析是很有必要的[3]。
1 弧形闸门静力特性分析1.1有限元模型弧形闸门主体结构主要由门叶、支臂和支铰三大部分组成。
门叶主要由主、次横梁、主、次纵梁、肋板，上下底梁、边梁等构件组成。
支臂用于支承主横梁或者主纵梁，主梁与支臂构成主框架，它们承受由面板和次梁传递来的自重和水压力等荷载，然后将力传递给支铰，最后通过支铰把力传递给闸墩。
作者简介：吴琦斌（1989-），男，E-mail：wqb10086 @本文研究的弧形闸门为露顶式，孔口宽6.84m，闸门高8.5m，弧门半径12.0m,，设计水头7.2m。
闸门结构采用立式液压启闭机启闭,操作条件为全水头动水启闭。
闸门结构为复杂的空间结构体系，门叶和支臂主要用shell单元模拟，支铰主要用和C3D8R和C3D6实体单元模拟。
支臂与门叶连接处使用tie做约束处理。
铰链处建立参考点，释放一个绕铰链轴线方向旋转自由度。
有限元模型如图1所示，模型共有56734个单元，54263个节点。
图1 弧形闸门有限元模型根据设计资料，弧形闸门的制作材料为Q345B钢，材料的基本参数选取如下：弹性模量E=2.06×1011Pa，泊松比μ=0.26，密度ρ=7850kg/m3。
静应力校核依据：根据《水利水电工程钢闸门设计规范》[4]和《水利水电工程金属结构报废标准》[5]规定，在役闸门进行强度验算时的最终修正系数k ＝0.9025。
闸门厚度分布在16-24mm之间，允许的局部承压应力值[σcd=220MPa]。
考虑弧形闸门的结构特点，采用第四强度理论(即von Mises理论)进行校核。
其强度为：[(σ1−σ2)2+(σ2−σ3)2+(σ3−σ1)2]2≤[σ](1)式中，σ1、σ2、σ3为三个主应力。
静变形依据：《水利水电工程钢闸门设计规范》[5]规定露顶式工作闸门最大挠度应小于计算跨度的1/600。
弧形闸门的跨度为6840mm，因而该闸门的最大变形不得超过11.4mm。
1.2约束和载荷本次分析的工况：1)闭门挡水状态，吊耳处不受力，闸门底缘受到约束。
2)开启瞬间状态，闸门底缘不受约束，吊耳处受力，绕闸门支铰旋转。
边界约束：坐标系定义，弧形闸门高度方向为Z轴，铰链旋转轴向为Y轴。
工况一，在铰链处约束UX、UY、UZ 三个方向的平动位移及绕X 轴及Z轴的转动位移；闸门两侧受侧向支撑，实际是单向约束，本文做近似假设，约束其侧向的位移，即方向的Y向平动自由度。
面板底槛受到沿闸门切向的支撑，也属单向约束情况，本文约束其切向的位移，即Z向的平动自由度。
工况二，在铰链处，侧向支撑处约束同于工况一，在吊耳处设置参考点与吊耳的孔四周的节点做刚性连接，建立以此节点指向油缸铰支座方向为X1轴的局部坐标系，约束该参考点的X1向位移[6]。
计算载荷：工况一：静力荷载为弧形闸门自重和静水压力；工况二：静力荷载为弧形闸门自重与静水压力。
1.3 静力计算结果及分析1.3.1 闸门应力强度分析弧形闸门所受重力通过施加Z方向的重力加速度来实现，按梯形分布荷载形式的静水压力则通过定义静水压力为零的坐标轴Z的值，以及闸门所受最大静水压力位置的坐标Z值。
最大静水压力按水力学公式p=ρgℎ计算[7]，其中水的密度ρ=103kg/m3，重力加速度g=9.8m/s2，h=7.2m。
图2为工况一闸门的应力云图，闸门中下部出现应力集中区，高于两侧的应力和上部的应力。
最大应力值约为89.19Mpa位于支臂的下半臂处。
由图3知工况二的应力云图，最大应力约为91.86Mpa，也是位于闸门支臂下半臂处，吊耳处也有应力集中的现象。
图2 工况一闸门应力云图（1/2模型）图3 工况二闸门应力云图（1/2模型）表1列出了两种工况下闸门各部件最大应力值，在支臂下半壁处存在较大应力。
两种工况的整体的应力分布趋势相同，这说明支臂与纵隔板的下隔板在承担水压里方面起主要作用；其次是弧形面板，这种力的分许有利于闸门的启闭。
弧形面板、纵隔板、主横梁、组成了牢固的网格结构，承担了来自弧形面板的水压力。
闸门整体受力较均匀，最大应力值均小于许用应力值，闸门强度满足要求。
表1闸门主要部件的最大应力值Mpa 工况闸门整体弧形面板主横梁纵隔板支臂1 89.19 60.55 39.68 63.48 89.192 91.86 60.87 47.50 66.93 91.861.3.2 闸门位移刚度分析由图4知工况一闸门最大位移约为3.7mm，位于闸门门叶的中下部，变形趋势符合闸门的受力的情况。
图5显示工况二闸门的最大位移约为3.6mm，也位于位于闸门门叶的中下部，变形趋势和最大位移均与况一想类似，这与闸门的实际受力情况相符。
由表2可知，闸门的各构件变形值均在规定许可范围内，闸门刚度满足规范要求。
图4 工况一位移云图（1/2模型）图4 工况二位移云图（1/2模型）表2闸门各部件最大位移mm 工况闸门整体弧形面板主横梁纵隔板支臂1 89.19 60.55 39.68 63.48 89.192 91.86 60.87 47.50 66.93 91.862.弧形闸门自振特性分析2.1动力特性基本理论结构动力学平衡方程：M δ+C δ+Kδ={P t}(2)式中，M为结构质量矩阵；C为结构阻尼矩阵；K为结构刚度矩阵； δ为节点加速度矢量； δ为节点速度矢量；δ为节点位移矢量；{P t}可以分为两部分[8,9]，P t1和{P t2}。
其中P t1为闸门静止状态时作用在闸门上的脉动载荷，目前只能通过实验得到；{P t2}为由于闸门振动而引起的附加扰动流场作用在闸门上的附加载荷，以附加质量项的方式体现。
当P t1=0时，闸门为自由振动状态，把附加项加入式以后，就得到了流固耦合自由振动的方程：M+∆M δ+C δ+Kδ=0(3)附加质量模拟附加质量是Westergaard[10,11]在对水体-坝体基础上提出的一种考虑水体对结构的作用的一种简化计算方法。
它将动水压力沿水深方向近似的按抛物线分布，根据实际动水压力在坝踵的弯矩与模拟的动水压力对坝踵的弯矩相等的条件，得到沿坝面高度的动水压力幅值为：k n H0h(4)P S=78式中: k n为地震系数，H0为库水深度，h 为计算点的坝高。
由于动水压力同惯性力相似，因此可以采用附加在坝面上的一定质量的水体来代替动水压力，于是得到Westergaard附加质量公式：ρH0h(5)M=78由于闸门可以看成是一种特殊的可移动的坝体，因此本文根据式（5）编制了相应的命令，采用质量单元Mass21 模拟附加质量的作用，施加到结构挡水面相应的节点上。
2.2计算边界条件及工况模态分析边界条件为：弧形闸门支铰约束其UX、UY、UZ 三个方向的平动位移及绕Y轴及Z 轴的转动位移，两侧由于有侧向支撑，因此约束其UZ 方向的位移，其他部位则无约束。
此次计算分两个工况：1）无水，弧形闸门处于关闭状态时的动力特性计算；2）有水，通过施加附加质量考虑水流对结构耦合的影响。
2.3 闸门自振特性结果及分析闸门结构无水时及有水时前5阶自振频率计算结果如表3、4 所列，从表中可知，不论是否考虑流固耦合影响，闸门结构的自振频率均随着闸门开度的增加而增大。
表明闸门在开启过程中，整体刚度发生变化，从而导致闸门振动频率发生变化，随着开度增加，振动频率增加。
表3 闸门干模态分析结果HZ阶次闭门开度1m 开度3m 开度5m1 5.424 5.350 5.522 5.6532 9.954 10.204 9.874 9.6603 15.066 15.177 14.644 14.8624 41.724 41.566 40.786 40.4275 48.370 47.918 47.054 48.582表4 闸门湿模态分析结果HZ阶次闭门开度1m 开度3m 开度5m1 3.412 4.141 4.632 5.0452 7.137 8.867 8.397 8.9893 9.868 12. 445 12.796 13.0334 33.921 37.701 38.355 39.6525 43.726 45.675 46.885 47.982从表5的数据可以看出，在考虑流固耦合效应之后，引入附加质量对闸门的固有频率是有影响的。