水力式升船机承船厢纵向抗倾覆数值模拟分析方法技术

本发明专利技术公开了一种水力式升船机承船厢纵向抗倾覆数值模拟分析方法，基于数值模拟技术，考虑承船厢与厢内水体的相互作用，较为真实地反应了承船厢纵向倾斜过程中承船厢和厢内水体的流固耦合作用。本发明专利技术研究了同步系统独立工作时以及导向系统独立工作时水力式升船机承船厢的纵向抗倾覆特性，并对系统纵向抗倾覆特性的影响因素进行了探讨，揭示了承船厢纵向抗倾覆机，为水力式升船机承船厢纵向抗倾覆设计提供了科学、合理的依据和参考。

Numerical simulation analysis method for longitudinal anti-overturning of Ship-carrying compartment of hydraulic ship lift

The invention discloses a numerical simulation analysis method for longitudinal anti-overturning of the Ship-carrying compartment of a hydraulic ship lift. Based on the numerical simulation technology, considering the interaction between the Ship-carrying compartment and the water body in the compartment, the fluid-solid interaction between the Ship-carrying compartment and the water body in the compartment during the longitudinal inclination of the Ship-carrying compartment is more truly reflected. The invention studies the longitudinal anti-overturning characteristics of the Ship-carrying compartment of a hydraulic ship-lift when the synchronous system works independently and the guidance system works independently, and probes into the factors influencing the longitudinal anti-overturning characteristics of the system, reveals the longitudinal anti-overturning machine of the Ship-carrying compartment, and provides a scientific and reasonable basis and reference for the longitudinal anti-overturning design of the Ship-carrying compartment of a hydraulic ship-lift.

【技术实现步骤摘要】
水力式升船机承船厢纵向抗倾覆数值模拟分析方法
本专利技术涉及承船厢纵向抗倾覆数值分析方法，具体涉及一种水力式升船机承船厢纵向抗倾覆数值模拟分析方法。
技术介绍
目前，对升船机承船厢纵向抗倾覆问题的研究较少，且现有的研究大部分都是针对承船厢极端失水状况，如陈锦珍等针对卷扬式垂直升船机，分析了承船厢失稳的主要原因，认为只有在船厢严重失水事故时才会出现承船厢失稳状态；包纲鉴等认为正常运行下卷扬式垂直升船机承船厢运行的稳定是没有问题的，但当发生严重失水事故，且失水量达到或超过转矩平衡质量时，此时承船厢即处于随遇平衡状态，只要船厢纵向质量和水体质量稍有一点偏心，就会发生船厢失稳倾斜。水力式升船机作为一种全新形式的升船机，具有结构简单、安全可靠、运行经济、更适应承船厢出入水等优点，在我国高坝通航中具有广阔的应用前景。但水力式升船机在运行过程中，承船厢不可避免地会出现一定的倾斜，倾斜过程中厢内水体将会产生一个倾覆力矩，从而加剧承船厢的倾斜，若系统不能提供足够大的抗倾覆力矩，承船厢会继续倾斜，而承船厢的继续倾斜又促使厢内水体的进一步流动，导致承船厢倾斜量继续增大，流固耦合现象明显，此时系统为发散失稳体系，最终会引发承船厢倾覆安全事故。胡亚安等对水力式升船机承船厢纵向抗倾覆问题进行了理论分析研究，给出了承船厢运行过程中其最大倾斜量的计算公式，并结合物理模型试验结果，认为改造后的水力式升船机是一个收敛稳定的系统。理论分析在一定程度上提高了承船厢纵向抗倾覆处理方案的可靠性与可行性，但由于问题的复杂性，在理论分析中适当进行了一定的简化，如忽略了水体粘性系数以及动水压力的存在对承船厢纵向倾覆的影响，进而导致计算结果具有一定的局限性。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种水力式升船机承船厢纵向抗倾覆数值模拟分析方法，解决现有方法计算结果有局限，准确性不够的问题。技术方案：本专利技术所述的水力式升船机承船厢纵向抗倾覆数值模拟分析方法，包括以下步骤：(1)采集水力式升船机系统浮筒、承船厢、同步系统、卷筒和导向系统的参数取值，建立相应的力学模型；(2)基于力学解析方法，根据静力学平衡原理及承船厢变形协调条件，以承船厢、浮筒和同步系统为对象，建立水力式升船机系统力学平衡方程，得出承船厢纵向倾斜过程中厢内水体产生的纵向倾覆力矩以及承船厢、浮筒和同步系统所提供的纵向抗倾覆力矩；(3)基于导向系统的工作原理，结合导向系统的各力学参数，以承船厢、浮筒和导向系统为研究对象，采用作图法画出导向系统所提供的纵向抗倾覆力矩随承船厢倾斜角度的变化关系以推求得出导向系统所提供的纵向抗倾覆力矩；(4)基于水力式升船机承船厢尺寸，分别建立承船厢和厢内水体的二维有限元模型；(5)根据步骤(4)建立的有限元模型，施加相应的边界条件，采用标准k-ε模型，考虑承船厢和厢内水体的流固耦合作用，基于ADINA有限元分析软件对水力式升船机承船厢纵向抗倾覆问题进行数值模拟计算；(6)基于计算结果，分析研究不同运行条件下水力式升船机承船厢的纵向抗倾覆特性，并对系统纵向抗倾覆特性的影响因素进行分析。更好地体现出承船厢、承船厢内水体、浮筒以及同步系统在承船厢纵向倾覆问题中单独所起的作用，所述步骤(2)具体为：建立如下的水力式升船机系统力学平衡方程：∑MO＝0由承船厢变形协调条件以及同步轴的平衡条件可知：θ1:θ2:θ3:θ4:θ5:θ6:θ7＝l2:l3:l4:l5:l6:l7:l8M1+M2+M3+M4+M5+M6+M7+M8＝0Mi(i＝1,2,3,4,5,6,7,8)和θi(i＝1,2,3,4,5,6,7)具体满足：Mi＝(Fi-Fi')R(i＝1,2,3,4,5,6,7,8)根据浮筒侧受力情况可知：根据几何关系可知：联立上式，求解可得：式中，α为承船厢纵向倾斜角度；W为承船厢重；h1为重心距离船厢底距离；W1为平行四边形水体部分重；W2为三角形水体部分重；L为承船厢长；B为承船厢宽；H为承船厢高；h2为承船厢发生纵向倾斜之前厢内水深；S为浮筒底面积；ρW为水体密度；g为重力加速度；Fi(i＝1,2,3,4,5,6,7,8)为第i个卷筒上钢丝绳所受到的拉力；Fi'(i＝1,2,3,4,5,6,7,8)为第i个卷筒上连接浮筒的钢丝绳所受到的拉力；R为卷筒半径；li(i＝2,3,4,5,6,7,8)为承船厢沿纵向方向第i-1个卷筒上钢丝绳和第i个卷筒上钢丝绳吊点间距离；θi(i＝1,2,3,4,5,6,7)为第i个卷筒和第i+1个卷筒之间同步轴扭转角度；Mi(i＝1,2,3,4,5,6,7,8)为第i个卷筒上两侧钢丝绳不平衡力所产生的扭矩；Gi(i＝2,3,4,5,6,7,8)为第i-1个卷筒和第i个卷筒之间同步轴的剪切刚度；Ipi(i＝2,3,4,5,6,7,8)为第i-1个卷筒和第i个卷筒之间同步轴的等效截面极惯性矩；l为承船厢沿纵向方向两侧钢丝绳间吊点间距离，满足l＝6l2+l5；Δh0为同步系统各部件间间隙取值；令：MC＝Wtanα(H-h1)式中，为静水压力产生的纵向倾覆力矩；MC为承船厢自身重量产生的纵向抗倾覆力矩；MF为浮筒产生的纵向抗倾覆力矩，MT为同步系统有间隙情况下产生的纵向抗倾覆力矩。更直观地反映出导向系统在不同工作阶段所提供的纵向抗倾覆力矩，所述步骤(3)得出的导向系统所提供的纵向抗倾覆力矩如下：式中，MD为导向系统导轮和导轨间隙塞实后产生的纵向抗倾覆力矩；K为导向系统纵向抗倾覆刚度，其定义为承船厢纵向倾斜单位角度下导向系统提供的抗倾覆力矩；Δh为承船厢纵向倾斜量，与承船厢纵向倾斜角度α的关系为Δhb为导向系统导轮和导轨间隙塞实时承船厢纵向倾斜量；为预荷载消除时导向系统所提供纵向抗倾覆力矩。更好地体现出浮筒弹簧刚度、同步系统弹簧刚度以及导向系统弹簧刚度随承船厢纵向倾斜角度的变化规律，所述步骤(4)具体为：承船厢采用四边形实体单元，其左上方和右下方位置处分别设置弹簧单元，其中一个弹簧单元模拟同步系统或导向系统的作用，另外一个模拟浮筒的作用，其中模拟同步系统或导向系统的弹簧为变刚度非线性弹簧，而模拟浮筒作用的弹簧为常刚度线性弹簧。浮筒弹簧、同步弹簧和导向弹簧的刚度具体如下：式中，KF、KT和KD分别为浮筒弹簧、同步弹簧和导向弹簧的刚度。更好地反映出承船厢内水体在承船厢倾覆过程中的真实流态，所述步骤(5)具体为：承船厢底部中心点处设置平面位移约束，对其旋转不进行约束，同时浮筒弹簧底部和同步系统弹簧顶部设置固定约束，并对承船厢施加初始扰动角速度ω0；水体表面设置为自由液面，采用ALE方法捕捉承船厢纵向倾斜过程自由液面的晃动；水体与承船厢交界处设置为流固耦合边界，具体为：式中，分别为流固耦合面上固体的速度和流体的速度；分别为流固耦合面上固体的表面应力和流体的表面应力；湍流模型采用标准k-ε模型，其湍动能k和湍动能耗散率ε的控制方程如下：式中，xi(i＝1，2)和xj(j＝1，2)分别是平面坐标系，ui(i＝1，2)和uj(j＝1，2)分别代表水平向(i、j＝1)和竖直向(i、j＝2)上的流体速度分量，υ为运动粘度，t表示时间，σk、σε、C1ε、C2ε和Cμ均为经验常数，σk、σε、C1ε、C2ε和Cμ依次取值0.09、1.44、1.92、1.1和1.3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水力式升船机承船厢纵向抗倾覆数值模拟分析方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)采集水力式升船机系统浮筒、承船厢、同步系统、卷筒和导向系统的参数取值，建立相应的力学模型；(2)基于力学解析方法，根据静力学平衡原理及承船厢变形协调条件，以承船厢、浮筒和同步系统为对象，建立水力式升船机系统力学平衡方程，得出承船厢纵向倾斜过程中厢内水体产生的纵向倾覆力矩以及承船厢、浮筒和同步系统所提供的纵向抗倾覆力矩；(3)基于导向系统的工作原理，结合导向系统的各力学参数，以承船厢、浮筒和导向系统为研究对象，采用作图法画出导向系统所提供的纵向抗倾覆力矩随承船厢倾斜角度的变化关系以推求得出导向系统所提供的纵向抗倾覆力矩；(4)基于水力式升船机承船厢尺寸，分别建立承船厢和厢内水体的二维有限元模型；(5)根据步骤(4)建立的有限元模型，施加相应的边界条件，采用标准k‑ε模型，考虑承船厢和厢内水体的流固耦合作用，基于ADINA有限元分析软件对水力式升船机承船厢纵向抗倾覆问题进行数值模拟计算；(6)基于计算结果，分析研究不同运行条件下水力式升船机承船厢的纵向抗倾覆特性，并对系统纵向抗倾覆特性的影响因素进行分析。

【技术特征摘要】
1.一种水力式升船机承船厢纵向抗倾覆数值模拟分析方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)采集水力式升船机系统浮筒、承船厢、同步系统、卷筒和导向系统的参数取值，建立相应的力学模型；(2)基于力学解析方法，根据静力学平衡原理及承船厢变形协调条件，以承船厢、浮筒和同步系统为对象，建立水力式升船机系统力学平衡方程，得出承船厢纵向倾斜过程中厢内水体产生的纵向倾覆力矩以及承船厢、浮筒和同步系统所提供的纵向抗倾覆力矩；(3)基于导向系统的工作原理，结合导向系统的各力学参数，以承船厢、浮筒和导向系统为研究对象，采用作图法画出导向系统所提供的纵向抗倾覆力矩随承船厢倾斜角度的变化关系以推求得出导向系统所提供的纵向抗倾覆力矩；(4)基于水力式升船机承船厢尺寸，分别建立承船厢和厢内水体的二维有限元模型；(5)根据步骤(4)建立的有限元模型，施加相应的边界条件，采用标准k-ε模型，考虑承船厢和厢内水体的流固耦合作用，基于ADINA有限元分析软件对水力式升船机承船厢纵向抗倾覆问题进行数值模拟计算；(6)基于计算结果，分析研究不同运行条件下水力式升船机承船厢的纵向抗倾覆特性，并对系统纵向抗倾覆特性的影响因素进行分析。2.根据权利要求1所述的水力式升船机承船厢纵向抗倾覆数值模拟分析方法，其特征在于，所述步骤(2)具体为：建立如下的水力式升船机系统力学平衡方程：∑MO＝0由承船厢变形协调条件以及同步轴的平衡条件可知：θ1:θ2:θ3:θ4:θ5:θ6:θ7＝l2:l3:l4:l5:l6:l7:l8M1+M2+M3+M4+M5+M6+M7+M8＝0Mi(i＝1,2,3,4,5,6,7,8)和θi(i＝1,2,3,4,5,6,7)具体满足：Mi＝(Fi-Fi')R(i＝1,2,3,4,5,6,7,8)根据浮筒侧受力情况可知：根据几何关系可知：联立上式，求解可得：式中，α为承船厢纵向倾斜角度；W为承船厢重；h1为重心距离船厢底距离；W1为平行四边形水体部分重；W2为三角形水体部分重；L为承船厢长；B为承船厢宽；H为承船厢高；h2为承船厢发生纵向倾斜之前厢内水深；S为浮筒底面积；ρW为水体密度；g为重力加速度；Fi(i＝1,2,3,4,5,6,7,8)为第i个卷筒上连接承船厢的钢丝绳所受到的拉力；Fi'(i＝1,2,3,4,5,6,7,8)为第i个卷筒上连接浮筒的钢丝绳所受到的拉力；R为卷筒半径；li(i＝2,3,4,5,6,7,8)为承船厢沿纵向方向第i-1个卷筒上钢丝绳和第i个卷筒上钢丝绳吊点间距离；θi(i＝1,2,3,4,5,6,7)为第i个卷筒和第i+1个卷筒之间同步轴扭转角度；Mi(i＝1,2,3,4,5,6,7,8)为第i个卷筒上...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭博文，王荆，宋力，赵兰浩，张伟，
申请(专利权)人：黄河水利委员会黄河水利科学研究院，
类型：发明
国别省市：河南,41