水工弧形钢闸门约束阻尼层减振设计方法技术

水工弧形钢闸门约束阻尼层减振设计方法，包括以下步骤：（1）对弧形钢闸门的各部分构件进行有限元模拟单元选取，弧形面板选用壳单元模拟受力状态，支臂、横梁和纵梁选用梁单元模拟，吊杆选用杆单元模拟，对弧形钢闸门进行动力学特性分析；（2）采用Westergaard法计算水的等效质量，模拟水压力对弧形钢闸门的动力特性影响；（3）对弧形钢闸门进行结构模态应变能分析，分析得出弧形钢闸门支臂模态应变能最大，通过设置在弧形钢闸门的支臂结构上的约束阻尼层可以减小弧形钢闸门的流激荷载效应；本发明专利技术的设计方法增加弧形钢闸门结构阻尼、降低流激荷载振动效应。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种水工弧形钢闸门约束阻尼层减振设计方法。
技术介绍
闸门流激荷载动力响应是流激荷载和闸门动力特性耦合的产物，在水流形式已经确定、流激荷载不可更改的情况下，调整闸门动力特性可有效降低结构动力响应，而增加结构阻尼是十分有效、简单方便的手段之一。弧形钢闸门以其轻盈的结构形式、合理的受力性能以及启闭力小等优点，在水工结构中得到广泛应用，但是弧形钢闸门的流激振动问题较为突出，因流激振动造成破坏在国内外水工结构中时有发生。闸门流激振动由水动力荷载特点和闸门振动特性决定，当水动力荷载无法改变时，优化闸门的动力特性成为唯一选择，如何避免钢闸门发生流激破坏，充分发挥钢闸门的优势特点，科研人员提出了不同的解决方案。纵观弧形钢闸门的破坏性态，大部分是由于支臂发生振动过大，造成支臂动力失稳或荷载效应超过材料强度，进而发生破坏。调谐质量阻尼（TMD）减振仅对某一阶共振频率减振效果显著，因钢闸门一般在水下工作，频率受水头和水深的影响，固调谐质量阻尼（TMD）减振效果差。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有技术中的不足之处，提供一种增加弧形钢闸门结构阻尼、降低流激荷载振动效应的水工弧形钢闸门约束阻尼层减振设计方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：水工弧形钢闸门约束阻尼层减振设计方法，所述的弧形钢闸门包括弧形面板、两根吊杆和两个支臂，弧形面板后表面沿其高度方向均匀间隔设有若干横梁，每根横梁均沿左右水平方向设置，弧形面板后表面沿其宽度方向均匀间隔设有若干纵梁，每根纵梁均呈弧形结构且与弧形面板的弧度相同，两根吊杆倾斜设置并相互平行，两根吊杆的一端分别与弧形面板的后表面连接，每组支臂均包括上悬臂和下悬臂，上悬臂和下悬臂之间设有腹杆，所述的设计方法包括以下步骤：（1）对弧形钢闸门的各部分构件进行有限元模拟单元选取，弧形面板选用壳单元模拟受力状态，支臂、横梁和纵梁选用梁单元模拟受力状态，吊杆选用杆单元模拟受力状态，对弧形钢闸门进行动力学特性分析；（2）采用Westergaard法计算水的等效质量，模拟水压力对弧形钢闸门的动力特性影响；（3）对弧形钢闸门进行结构模态应变能分析，分析得出弧形钢闸门支臂模态应变能的值为最大值；（4）在弧形钢闸门的支臂结构上设置用于减小弧形钢闸门的流激荷载效应的约束阻尼层；（5）通过有限元方法模拟确定约束阻尼层的厚度，针对不同约束阻尼层的厚度的对比分析，确定最适合的约束阻尼层厚度，从而最大程度增大弧形钢闸门的支臂阻尼比，降低结构的流激荷载效应。所述步骤（4）中的约束阻尼层包括阻尼层和约束层，阻尼层黏贴在每组支臂的外表，约束层黏贴在阻尼层的外表面，阻尼层由塑料材料制成，约束层由钢制材料制成。步骤（1）中，对弧形钢闸门的动力学特性分析采用的公式为：，式中、和分别为质量、阻尼和刚度的矩阵；、和分别为位移、速度和加速度；为流激荷载。步骤（2）中通过Westergaard法计算水的等效质量：，其中为水的密度；为闸门水深；为库水水头，模拟水压力对弧形钢闸门的动力特性影响。所述步骤（5）中的弧形钢闸门的支臂阻尼比的计算方法选用复模态分析方法，复模态分析方法具体步骤为：首先结构动力平衡方程的特征方程为：，特征值为：，称之为稳定系数，为考虑阻尼影响的圆频率，阻尼比为：，由计算结果确定合理约束层和阻尼层的厚度；以下为计算过程：令，，，，则动力学方程写出状态方程形式为：；为了简化计算，可引入常数等式，这样可实现化积分运算为代数运算。动力学方程可表示为：再令：，则方程可表示为：方程的解为： 传递矩阵的表达式为：；其中为离散时间步长。采用上述技术方案，本专利技术具有以下有益效果：（1）本专利技术首先在结构基层黏贴一层阻尼层，然后再在阻尼材料层表面牢固黏贴弹性约束材料，称之为约束层。当结构层发生弯曲变形时，阻尼材料层上下表面则产生拉伸和压缩变形，在阻尼层中发生交变的剪切应力和应变，从而消耗结构由于振动产生的能量，减轻主体结构的振动；为了防止弧形钢闸门支臂在流激荷载作用下动力破坏，进而导致整体结构溃塌，在弧形钢闸门支臂外表面黏贴约束阻尼层，在粘弹性阻尼层和约束层厚度比例合理的情况下，可增大支臂的阻尼比，以达到降低支臂在流激荷载作用下振动响应之目的；（2）弧形钢闸门支臂表面黏贴约束阻尼层能增大支臂不同阶次阻尼比，显著降低流激荷载产生的结构动力响应，结构动力特性由于水质量改变不影响约束阻尼层对结构动力响应降低的趋势；（3）约束层能提高结构阻尼的特性，同时借鉴阻尼层在输电塔中提高结构阻尼的成功经验，在弧形钢闸门上合理布置阻尼层，以提高闸门整体阻尼比，再对添加约束阻尼层前后钢闸门进行流激振动分析，可验证约束阻尼层的减振效果；（4）弧形钢闸门阻尼比的计算方法可选用复模态分析方法；同其它计算方法相比，其优势在于：考虑结构在阻尼效应下的动力响应，计算精度可大幅度提高。附图说明图1是弧形钢闸门结构示意图；图2是约束阻尼层的形状示意图；图3是弧形钢闸门的支臂外表黏贴约束阻尼层的截面图；图4是流激荷载压力时程曲线和Fourier幅值图；图5是支臂综合位移时程曲线图。具体实施方式如图1-3所示，弧形钢闸门包括弧形面板1、两根吊杆2和两个支臂，弧形面板1后表面沿其高度方向均匀间隔设有若干横梁3，每根横梁3均沿左右水平方向设置，弧形面板1后表面沿其宽度方向均匀间隔设有若干纵梁4，每根纵梁4均呈弧形结构且与弧形面板1的弧度相同，两根吊杆2倾斜设置并相互平行，两根吊杆2的一端分别与弧形面板1的后表面连接，每个支臂均包括上悬臂5和下悬臂6，上悬臂5和下悬臂6之间设有腹杆7；某弧形钢闸门如图1所示，弧形钢闸门的宽和高分别为，弧形面板1的外弧半径为22m，两根吊杆2之间的间距为6.6m，弧形面板1厚度为35mm，弧形面板1沿纵向均匀布置9根横梁3，弧形面板1沿横向均匀布置9根纵梁4，弧形面板1的弧长为14.9m，其中上悬臂5与弧形面板1顶端之间的弧长4.1m，上悬臂5和下悬臂6之间的弧长7.4m，下悬臂6与弧形面板1底端之间的弧长为3.4m，该弧形钢闸门的正常蓄水位为850m，正常蓄水水头为58m，校核水位为855m，校核水头为59m。本专利技术的水工弧形钢闸门约束阻尼层减振设计方法，包括以下步骤：（1）对弧形钢闸门的各部分构件进行有限元模拟单元选取，弧形面板选用壳单元模拟受力状态，支臂、横梁3和纵梁4选用梁单元模拟，吊杆2选用杆单元模拟，对弧形钢闸门进行动力学特性分析；弧形钢闸门的动力平衡方程为：，式中、和分别为质量、阻尼和刚度的矩阵；、和分别为位移、速度和加速度；为流激荷载。在流激荷载不可改变的情况下，可通过增加结构阻尼，降低流激荷载响应；（2）采用Westergaard法计算水的等效质量，，其中为水的密度；为闸门水深；为库水水头，模拟水压力对弧形钢闸门的动力特性影响；（3）对弧形钢闸门进行结构模态应变能分析，弧形钢闸门各部分构件的模态应变能为：，分析得出弧形钢闸门支臂模态应变能最大，通过设置在弧形钢闸门的支臂结构上的约束阻尼层可以减小弧形钢闸门的流激荷载效应；所述的约束阻尼层包括阻尼层和约束层，阻尼层黏贴在每组支臂的外表，约束层黏贴在阻尼层的外表面，阻尼层由塑料材料制成，约束层由钢制材料制成；分析结果表明：支臂和吊杆占模态应变能比例的68%，由于吊杆仅受本文档来自技高网...

【技术保护点】
水工弧形钢闸门约束阻尼层减振设计方法，所述的弧形钢闸门包括弧形面板、两根吊杆和两个支臂，弧形面板后表面沿其高度方向均匀间隔设有若干横梁，每根横梁均沿左右水平方向设置，弧形面板后表面沿其宽度方向均匀间隔设有若干纵梁，每根纵梁均呈弧形结构且与弧形面板的弧度相同，两根吊杆倾斜设置并相互平行，两根吊杆的一端分别与弧形面板的后表面连接，每组支臂均包括上悬臂和下悬臂，上悬臂和下悬臂之间设有腹杆，其特征在于：所述的设计方法包括以下步骤：（1）对弧形钢闸门的各部分构件进行有限元模拟单元选取，弧形面板选用壳单元模拟受力状态，支臂、横梁和纵梁选用梁单元模拟受力状态，吊杆选用杆单元模拟受力状态，对弧形钢闸门进行动力学特性分析；（2）采用Westergaard法计算水的等效质量，模拟水压力对弧形钢闸门的动力特性影响；（3）对弧形钢闸门进行结构模态应变能分析，分析得出弧形钢闸门支臂模态应变能的值为最大值；（4）在弧形钢闸门的支臂结构上设置用于减小弧形钢闸门的流激荷载效应的约束阻尼层；（5）通过有限元方法模拟确定约束阻尼层的厚度，针对不同约束阻尼层的厚度的对比分析，确定最适合的约束阻尼层厚度，从而最大程度增大弧形钢闸门的支臂阻尼比，降低结构的流激荷载效应。...

【技术特征摘要】
1.水工弧形钢闸门约束阻尼层减振设计方法，所述的弧形钢闸门包括弧形面板、两根吊杆和两个支臂，弧形面板后表面沿其高度方向均匀间隔设有若干横梁，每根横梁均沿左右水平方向设置，弧形面板后表面沿其宽度方向均匀间隔设有若干纵梁，每根纵梁均呈弧形结构且与弧形面板的弧度相同，两根吊杆倾斜设置并相互平行，两根吊杆的一端分别与弧形面板的后表面连接，每组支臂均包括上悬臂和下悬臂，上悬臂和下悬臂之间设有腹杆，其特征在于：所述的设计方法包括以下步骤：（1）对弧形钢闸门的各部分构件进行有限元模拟单元选取，弧形面板选用壳单元模拟受力状态，支臂、横梁和纵梁选用梁单元模拟受力状态，吊杆选用杆单元模拟受力状态，对弧形钢闸门进行动力学特性分析；（2）采用Westergaard法计算水的等效质量，模拟水压力对弧形钢闸门的动力特性影响；（3）对弧形钢闸门进行结构模态应变能分析，分析得出弧形钢闸门支臂模态应变能的值为最大值；（4）在弧形钢闸门的支臂结构上设置用于减小弧形钢闸门的流激荷载效应的约束阻尼层；（5）通过有限元方法模拟确定约束阻尼层的厚度，针对不同约束阻尼层的厚度的对比分析，确定最适合的约束阻尼层厚度，从而最大程度增大弧形钢闸门的支臂阻尼比，降低结构的流激荷载效应。2.根据权利要求1所述的水工弧形钢闸门约束阻尼层减振设计方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴泽玉，汪志昊，
申请(专利权)人：华北水利水电大学，
类型：发明
国别省市：河南;41