闸门水封计算及试验研究完成内容

水电水利工程闸门水封计算及试验研究完成内容武汉大学2013年4月水电水利工程闸门水封计算及试验研究完成内容11计算及试验研究方法高压水头闸门水封的止水效果与止水元件的断面形式、材料性质、水封弹性变形量、残余变形量、封头的水密性、线压与封头接触应力的关系、止水装置结构形式等多种复杂因素有关。我们的技术思路是：首先对高水头闸门橡胶水封进行大量的非线性仿真计算，得出其应力-应变初步成果，然后再在理论计算的基础上对闸门使用条件下的水封断面进行分析论证。水封橡胶类材料有其独特的力学性能：超弹性，不可压缩性，大变形等。在受到水压力作用下，止水橡皮会产生大变形，使得用传统实验方法难以定量地分析出止水橡皮的应力应变值；运用有限元分析方法对高水头闸门水封橡皮的止水全过程进行仿真计算、分析止水橡皮止水过程橡皮应力分布情况、橡皮与钢夹及接触面之间的接触应力分布情况，从而定性地研究止水橡皮的止水性能，从工程应用的角度分析止水橡皮工作机理过程，为设计合理的止水橡皮形式提供有益的指导。1.1计算基本理论设ix)3,2,1(i为参考坐标，iy)3,2,1(i是变形后的坐标。在变形过程中，物体的任一点的坐标可以表示为：),(txyy。设变形梯度为xyG，右Cauchy-Green变形张量为][][][GGCT，左Cauchy-Green变形张量为TGGB][][][，Green应变矩阵是)(21ICE。在t时刻时，超弹性材料的应变能函数eW和Cauchy应力，只是变形梯度的函数，即)(GWWee。当材料是各向同性时，应变能函数通常写成右Cauchy-Green变形张量矩阵的函数表达式，矩阵的不变量叫做应变不变量，分别为321,,III，它们能够在应变能函数表达式中变形梯度G的位置，表示由于材料的变形而产生的应变能。则eW又可以写成，),,(321IIIWWee在式中，应变不变量是：)det())),(())(((21),(32221CICtrCtrICtrI（1）多数橡皮类材料都是属于各向同性且不可压缩的非线性弹性材料，在材料不可压缩水电水利工程闸门水封计算及试验研究完成内容2条件下，由于13I，所以应变能实际上只是][C的第一和第二不变量的函数，即),(21IIWWee。为了获得显式应变能函数，可取初始构型为参考构形，而在此构型中0eW，][][IC，于是由式（1）可知3][1ItrI32/])[])[((22ItrItrI（2）鉴于在参考构形中321II，人们就把应变能看作是31I和32I的函数，提出了一些显式模型，这里采用的就是两参数Mooney-Rivlin模型，应变能函数为3)-(IC3)-(ICW2211e（3）材料的Cauchy应力可以表示为：pIBIWBIWIIWSeee])[(222211（4）或eSpIS（5）式中：p——静水压力；I——单位矩阵；eS——偏应力。1.2计算有限元模型高水头闸门水封设置在闸门周边，刚性夹板固定止水橡皮。当闸门就位关闭时，水封自动与砼封水面接触并被压缩达到封水的目的。橡皮采用超弹性单元HYPER56号单元，该类单元采用混合位移－压力表示形式，适用于大变形、接近不可压缩的橡胶类材料。在不可压缩条件下，该单元允许使用混合变分原理形成单元刚度矩阵。刚性夹板和接触面采用弹性单元PLANE42。在止水橡皮与刚性夹板接触的部位设置接触对单元Targe169和Conta171，接触单元是覆盖在分析模型接触面之上的一层单元。止水橡皮与刚性夹板的接触问题属于刚体——柔体的面面接触问题，为了给止水橡皮接触问题建模，必须认识到模型中的哪些部分可能会相互接触，例如橡皮两侧与夹板、橡皮封头与接触面之间可能发生接触，有限元模型通过指定接触单元来识别可能的接触匹对。ANSYS支持刚体─柔体的面─面接触单元，刚性面被当作“目标”面，用Targe169来模拟2─D的“目标”面，柔性体的表面被当作“接触”面，用Conta171来模拟。一个目标单元和一个接触单元叫作一个“接触对”。程序通过一个共享的实常号来识别“接触对”，为了建立一个“接触对”必须给目标单元和接触单元指定相同的实常号。水电水利工程闸门水封计算及试验研究完成内容3粘结面粘结面粘结面(a)横接头(b)45斜接头(c)T型接头0粘结面仿真计算过程分二个荷载步。第一步，止水橡皮安装完成后，施加背部压力（线压），即封头挤压砼封水面；第二步，施加零水荷载；第三步，按水头计算，施加库水压力（封头测向压力，按均布荷载考虑），模拟橡皮止水过程。考虑接触面和钢板方向零位移约束。1.3计算研究内容通过非线性有限元仿真计算研究：①高水头闸门水封止水元件的断面形式、材料性质、水封外伸变形量；②水封封头的水密性（考虑接触压力）；③高水头闸门水封线压与封头变形量、封头接触应力的关系；④高水头闸门水封启闭过程中（高速水流作用下）的应力和变形状态；⑤高水头闸门水封头部压缩量与接触宽度的关系；⑥止水装置（座板和夹板）结构形式。1.4水封接头扯断试验水封接头的物理力学性质对水封的使用效果影响较大，高压水封的试验研究之前必须准确掌握这些情况。我们研究了四种材料（肢体橡胶、SF6474、SF6674、LD-19）的横接头、450斜接头和T型接头三种接头型式，其接头部位具体见图1。图1拉伸试件接头型式橡胶接头拉伸试验的目的是：通过试验测得不同型式橡胶接头对应的扯断强度、破水电水利工程闸门水封计算及试验研究完成内容4坏机理与型式，了解不同型式橡胶接头扯断强度的差异，以及对应的破坏过程，以便在实际工程中采用最合理的水封接头。1.5水封预压缩压缩力试验为测定不同型式水封在不同预压量下的预压缩压缩力，对各种型式的水封分别进行预压缩压缩力的模型试验。试验中采用了两种装置：装置一中，预压缩力通过千斤顶加载实现，由千斤顶逐级加载，荷载通过传感器读数，变形量由分布于止水面板上的四个位移计分别读出并取平均值，试件纵向长度为208mm，止水面板采用不锈钢板，如图2（a）所示；装置二是微机控制电子万能试验机，在固定压缩量的情况下读取相应的预压缩压缩力，如图2（b）所示。图2（a）预压缩实验装置一示意图图2（b）预压缩实验装置二示意图1.6水封切片试验切片动水试验是水封整体试验的前提准备试验。切片试验的特点是水封在不同库压与背压的组合作用下可以更直观、更准确的研究水封的变形形态与变形过程。通过切片动水试验可以较直观地研究：①圆头P60水封（SF6474、SF6674、高水头橡胶水封）在各种库水压力作用下的变形；②山形水封在高库压（不低于2.2MPa）作用下的变形形态；③条形底水封在流速20m/s～70m/s（6.35MPa～22.22MPa）的高速水流作用下的变形形态。切片动水试验在专门研制的水封切片试验槽里进行，为减少试验槽的变形影响，试验槽采用钢板板格结构，试验槽侧面设有有机玻璃观察窗，有机玻璃上刻有坐标网格线以度量水封在高速流水状态下的变形量，试验槽顶板可上下变高以调整水封缝隙宽度，见图3和图4。水封切片宽度为210mm，试验用3台无级连续调压离心泵供水，最大水水电水利工程闸门水封计算及试验研究完成内容5压230m，最大流量0.21m3/s。可以采用两种方式观测封水情况：静态模拟，止水前端与钢板的预留间隙值分别为-6、-5、-4、……6、8、10、12mm，先加背压再加库压；动态模拟封水过程，预留止水前端与钢板的间隙-6、-5、-4、……6、8、10、12mm先加库压再加背压。图3切片试验槽外观示意图图4切片试验槽结构组合示意图水电水利工程闸门水封计算及试验研究完成内容61.7水封整体试验在理论计算和切片模型试验的基础上确定较优水封断面和止水结构形式（由设计单位认可）对山形水封进行整体模型试验论证研究。1.7.1试验装置止水断面变形特性均在我校所设计的专用大型试验台上进行。试验台主要由高压水箱、承压面板（活动台板）、加压机、稳压器和各种控制、测量仪器仪表组成。承压面板（1600mm×1600mm）用以模拟闸门面板，它由传力杆控制调节，可保持止水与闸门之间所需的不同间隙；高压水箱结构形状为长方形，它的主要作用是模拟库水压力，它由三台高压水泵和一些稳压器及相应仪表控制，可以进行230m以内的水压试验。这套装置的特点是既可以做水封的静水水密性试验，也可以做水封的开门动水试验，试验荷载500t。图5整体试验装置示意图1.7.2试验方法由不同配方的橡胶材料制成的水封试件，具有典型的粘弹性质，止水橡皮的变形不仅与所施加的荷重大小有关，还与施加荷重的历史和速度有关，在弹性固体中应力应变的所有状态都是可逆的，对应一定的应力就有一定的变形，除去应力则变形完全消失，水电水利工程闸门水封计算及试验研究完成内容7而对止水橡皮来说，它的应力应变状态并非都是可逆的。因此，试验中规定止水橡皮内腔充压必须是由小到大的变化，而不能任意改变，预留间隙条件下的水密性试验，其间隙值也必须按由小到大的顺序进行。1.7.3水封外伸变形试验试验选用水封中心距为1150mm×1150mm的框形水封试件（横断面模型比尺为1：1），由水稳压器分级向止水内腔充压，压力分别为0.02、0.04、0.06、……、2.10、2.20MPa，在试件四个直线段中点和四个角段中点共布置八块大量程百分表待橡皮变形稳定后量测其变形。止水橡皮在各级稳压条件下，其自由伸长变形的历史均较长，为合理确定一个稳定标准，进行不同压力下止水橡皮伸长变形与时间关系试验。1.7.4封头压缩量与接触宽度试验止水前端与钢板的预留间隙值分别为-6、-5、-4、……6、8、10、12mm。向止水内腔分别充压0.02、0.04、0.06、……、2.10、2.20MPa，待压力稳定后测量水封头压缩量及其与钢板的接触宽度。1.7.5水封水密性试验静水试验：选用框形止水试件，止水前端与钢板的预留间隙值分别为-6、-5、-4、……6、8、10、12mm。由水稳压器向止水内腔充压，压力分别为0.02、0.04、0.06、……、2.10、2.20MPa，待压力稳定后向模拟的库水压力高压水箱充压，观察止水漏水或射水发现情况。动水试验：承压面板预留止水间隙2mm，先向水池大量供水开泵提压，间隙产生射流情况下，然后再加背压,观察止水元件的止水效果。这更符合闸门的实际运行情况，也是我们设计高压水泵的显著优点。2计算及试验研究内容2.1水封变形特性计算通过计算验证不同材质水封在各种库水压力作用下及启闭过程中的应力和变形。水封材质及库压分别为：水电水利工程闸门水封计算及试验研究完成内容8表1水封材质及库压水封型号材质库压（MPa）圆头P45SF6474、SF66740.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.1、0.15、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0圆头P60SF6474、SF6674、高水头橡胶水封0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.1、0.15、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.2、2.4、2.6、2.8、3.0山形（充压、不充压）SF6674、高水头橡胶水封0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.1、0.15、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.2、2.4、2.6、2.8、3.0方头P60SF6674、高水头橡胶水封0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.1、0.15、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.2、1.3、1.4、1.5、1.