大型坞门的自振特性研究
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2020-01-19
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大型坞门的自振特性研究
方治国
河海大学机电工程学院，江苏常州（213022）
E-mail：fangsk2002@163.com
摘 要：以某水利工程的坞门的动力特性问题为背景，考虑到流固耦合对坞门结构自振特性
的影响，采用 ANSYS 软件对某大型坞门进行有限元仿真计算，得到流体对结构自振特性的
影响规律，对同类闸门流固耦合振动特性研究也有参考意义。
关键词：坞门；流固耦合；自振特性；有限元法；ANSYS
中图分类号：
TV663+.5
文献标识码：B
1. 引言
水工闸门由于其几何形状、支撑结构体型的多样性以及下游水位变幅的不确定性，使过
闸水流条件千变万化，因而水流诱发闸门振动情况非常复杂，存在的问题颇多。闸门自振特
性标志着闸门振动的内因，而振动的性质和量级取决于结构的自振特性和水动力载荷作用。
因此研究闸门结构的流固耦合自振特性是进行振动分析的基础
[1]
。闸门结构的自振特性与许
多因素有关，如闸门结构构造、刚度与质量分布、边界条件及水流与闸门耦联等。在特定条
件下，会出现共振或动力失稳现象。目前对闸门结构自振特性的影响程度还没有明确的定量
数据,流场范围对结构流固耦合特性的影响尚无定论和具体的研究成果
[2]
。本文对坞门结构的
流固耦合特性在不同工况下进行有限元分析，以获得相关的判断依据，同时结果对同类闸门
结构的设计计算也有参考意义。
2. 计算方法
2.1 流-固耦合的基本方程
当闸门处于水中时，闸门在水中振动时，相邻流畅将以相应于结构的位移、速度、加速
度的流体惯性力、阻尼力、弹性力施加在结构上，使得振动系统的质量、阻尼、刚度发生变
化从而导致闸门结构振动特性发生变化。闸门结构按空间体系考虑，由面板、梁格等组成，
采用有限元分析，系统经离散后其运动可用如下线性唱系数矩阵微分方程表示
[3]
：
[
]
{
}
[
]
{
}
[
]
{
}
{
}
{
}
00 0
M
CK Pt
δδδ
++ =
式中，
[
]
0
M
、
[
]
0
C
、
[
]
0
K
分别表示结构的质量、阻尼和刚度矩阵；
{
}
{
}
Pt
为作用于
结构上的外载荷列阵；
{
}
δ
、
{
}
δ
、
{
}
δ
分别为节点加速度、速度和位移列阵。
考虑到闸门在水中振动时，受到流固耦合振动中出现的附加项的影响，水动力荷载作用
下的闸门结构振动，可离散化为线性方程为：
{
}
{
}
{
}
{
}
{
}
000ff f
M
MCCKKPt
δδ δ
⎡⎤⎡⎤⎡⎤
+++++=
⎣⎦⎣⎦⎣⎦
式中
f
M
、
f
C
、
f
K
分别为附加质量矩阵、附加阻尼矩阵以及附加刚度矩阵。
当结构在流体中振动时，流体对结构产生阻尼作用，这种阻尼由粘性与压强阻尼力组成，
压强阻尼一般是由于流体从结构表面分离形成尾流产生的。但由于在实际工程中，闸门乃小
阻尼结构系统，可以忽略阻尼对闸门振动特性的影响。考虑到附加阻尼和附加刚度对闸门的
振动特性影响很小，且很难定量分析计算。因此在进行流固耦合分析时，可忽略附加阻尼和
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