一种新型仿生闸门结构及其设计方法技术

本发明专利技术涉及水利工程设备领域，尤其涉及一种新型仿生闸门结构及其设计方法。包括若干纵梁和若干横梁，若干纵梁和横梁相互交错且垂直设置，纵梁和横梁的外侧固定连接有面板，纵梁内侧设置有仿生结构支臂，仿生结构支臂为中空结构，仿生结构支臂的跨中直径大于仿生结构支臂的端部直径,仿生结构支臂端部与纵梁之间连接有仿关节。本发明专利技术可改善传统弧形闸门结构的静力特性，也可保证弧形闸门整体结构的安全经济灵活运行，促进水利水电事业的发展。

【技术实现步骤摘要】
一种新型仿生闸门结构及其设计方法
本专利技术涉及水利工程设备领域，尤其涉及一种新型仿生闸门结构及其设计方法。
技术介绍
水工钢闸门是水工建筑物的重要组成部分之一，其作用是封闭水工建筑物的孔口，并能按需全部或局部开启，以调节上下游水位、泄放流量、电站运行、通航及其他控制功能。作为调节咽喉的水工钢闸门起着至关重要的作用，只有通过水工钢闸门的灵活启闭，才可对水库进行实时调节，满足防洪、发电和水资源调配的需要，保证水利水电工程发挥其应有的经济效益和社会效益。闸门的种类很多，其中弧形闸门因其独特的优点受到广大设计人员的青睐，弧形闸门由于合理的构造形式，可封闭相当大面积的孔口、启闭力小、没有影响水流流态的门槽、水力条件好等优点。弧形钢闸门支臂是支撑门叶结构并将其承受的荷载通过支铰传给闸墩的主要结构，闸门的失稳问题经常发生，弧形钢闸门中框架的失稳主要就是支臂结构的失稳。通过调查大量闸门事故案例发现，失事的弧形钢闸门中有80％以上是由于其支臂破坏导致弧形钢闸门整体失事的，所以支臂的稳定关乎整个闸门结构、乃至整个枢纽建筑物的安全。弧形工作闸门失事或者汛期不能快速开启都会给整个枢纽建筑物或下游人民生命财产安全造成巨大危害，所以确保弧形闸门长久安全稳定灵活运行至关重要。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种新型仿生闸门结构及其设计方法，以解决上述问题，可改善传统弧形闸门结构的静力特性，也可保证弧形闸门整体结构的安全经济灵活运行，促进水利水电事业的发展。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：>一种新型仿生闸门结构，包括若干纵梁和若干横梁，若干所述纵梁和横梁相互交错且垂直设置，所述纵梁和横梁的外侧固定连接有面板，所述纵梁内侧设置有仿生结构支臂，所述仿生结构支臂为中空结构，所述仿生结构支臂的跨中直径大于所述仿生结构支臂的端部直径,所述仿生结构支臂端部与所述纵梁之间连接有仿关节。优选的，所述仿关节包括固定连接在所述仿生结构支臂端部的球形铰结构，所述纵梁内侧固定连接有球形铰轴套，所述球形铰轴套与所述球形铰结构配合设置。优选的，所述仿生结构支臂为V型结构，所述仿生结构支臂结构与麦秆结构相同。优选的，所述仿生结构支臂Y型结构，所述Y型结构连接处设置有加强节，所述加强节内部设有与所述仿生结构支臂轴线方向相同的加强肋板。一种新型仿生闸门结构设计方法，包括如下步骤：S1：收集数据，收集水工建筑物的情况a，闸门孔口的情况b，水位条件c，气象条件d，安装运输情况e，闸门结构所在地的地震烈度f，闸门结构所在地的泥沙淤积情况g，根据收集到的数据计算闸门支臂的设计载荷F；S2：根据公式确定所述仿生结构支臂的横截面尺寸A1，其中[σ]为所述仿生结构支臂的容许应力；S3：根据所述仿生结构支臂的圆环壁厚t与外径d的比值计算得到所述仿生结构支臂的薄壁柱端部直径d；S4：确定所述仿生结构支臂的跨中直径D，通过公式计算得出；S5：对步骤S4确定好的所述仿生结构支臂的薄壁柱进行有限元分析，得到所述仿生结构支臂的薄壁柱的稳定承载力Fu，判断是否Fu≥F，如果不满足，重复步骤S2-S5，直到满足Fu≥F，得到最终的仿生结构支臂的薄壁柱的结构尺寸。优选的，步骤S4中Δ＝1.16～1.40。优选的，所述步骤S5中有限元分析时将材料的初始缺陷，几何非线性和材料非线性导入进行分析，所述初始缺陷为所述仿生结构支臂长度的1/1000～1/800，所述材料非线性为理想弹塑性模型，所述几何非线性为材料的位移量和材料的大变形特性。本专利技术具有如下技术效果：采用球形铰轴套与球形铰结构的配合可以使闸门与仿生结构支臂的连接也呈现仿生状态，这种状态与动物关节比较接近，采用仿生关节连接时，按照钢结构设计规范计算得到，并与传统支臂稳定性相比，采用麦秆结构作为仿生支臂结构，闸门的稳定性提高。仿生弧形闸门新型结构不仅可改善传统弧形闸门的静力特性，而且显著提高了传统弧形闸门结构的整体稳定性。仿生弧形闸门新型结构在强度、刚度和静力稳定性较传统弧形闸门结构都更佳，从而确保了弧形闸门长久安全稳定灵活地运行。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为现有技术闸门结构示意图；图2为本专利技术实施例一的结构示意图；图3为本专利技术实施例二的结构示意图。其中，1为纵梁，2为横梁，3为面板，4为球形铰轴套，5为仿生结构支臂，6为球形铰结构，7为加强节。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。实施例一：参照图2所示，本实施例提供一种新型仿生闸门结构，包括若干纵梁1和若干横梁2，若干纵梁1和横梁2相互交错且垂直设置，纵梁1和横梁2的外侧固定连接有面板3，纵梁1内侧设置有仿生结构支臂5，仿生结构支臂5为中空结构，仿生结构支臂5的跨中直径大于仿生结构支臂5的端部直径,仿生结构支臂5端部与纵梁1之间连接有仿关节。进一步优化方案，仿关节包括固定连接在仿生结构支臂5端部的球形铰结构6，纵梁1内侧固定连接有球形铰轴套4，球形铰轴套4与球形铰结构6配合设置。通过上述结构的设置确保闸门门叶上的弯矩不传递给仿生结构支臂5，始终确保仿生结构支臂5承受轴力，相同结构下轴压时的稳定性比偏心受压的稳定性要高，故采用球形铰轴套4与球形铰结构6的配合可以使闸门与仿生结构支臂5的连接也呈现仿生状态，仿生弧形闸门新型结构不仅可改善传统弧形闸门的静力特性，而且显著提高了传统弧形闸门结构的整体稳定性。仿生弧形闸门新型结构在强度、刚度和静力稳定性较传统弧形闸门结构都更佳，从而确保了弧形闸门长久安全稳定灵活地运行。进一步优化方案，仿生结构支臂5为V型结构，仿生结构支臂5结构与麦秆结构相同。等截面轴心受压构件在发生弯曲屈曲时，侧向挠度是单波正弦曲线，构件内部弯矩的分布也是跨中最大，往两端逐渐减小，最后在柱端处变为零。从充分利用材料承载能力角度考虑，将受压构件设计成惯性矩沿轴线变化，将仿生结构支臂5设置为中部大、两端小的变截面柱具有更高的承载效率和更高的稳定性，并且变截面柱可以适应弯矩变化，节省材料，此即为麦秆结构优良力学性能的根源。麦秆结构为任意对称闭口截面，并且刚度较大，抗压和抗扭性能较好，并且在承载性能相同时，圆形截面的外表面积较其它截面形式的构件小，可以减少防腐涂层的材料消耗，构件在全长和端部封闭本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型仿生闸门结构，其特征在于：包括若干纵梁(1)和若干横梁(2)，若干所述纵梁(1)和横梁(2)相互交错且垂直设置，所述纵梁(1)和横梁(2)的外侧固定连接有面板(3)，所述纵梁(1)内侧设置有仿生结构支臂(5)，所述仿生结构支臂(5)为中空结构，所述仿生结构支臂(5)的跨中直径大于所述仿生结构支臂(5)的端部直径,所述仿生结构支臂(5)端部与所述纵梁(1)之间连接有仿关节。/n

【技术特征摘要】
1.一种新型仿生闸门结构，其特征在于：包括若干纵梁(1)和若干横梁(2)，若干所述纵梁(1)和横梁(2)相互交错且垂直设置，所述纵梁(1)和横梁(2)的外侧固定连接有面板(3)，所述纵梁(1)内侧设置有仿生结构支臂(5)，所述仿生结构支臂(5)为中空结构，所述仿生结构支臂(5)的跨中直径大于所述仿生结构支臂(5)的端部直径,所述仿生结构支臂(5)端部与所述纵梁(1)之间连接有仿关节。


2.根据权利要求1所述的一种新型仿生闸门结构，其特征在于：所述仿关节包括固定连接在所述仿生结构支臂(5)端部的球形铰结构(6)，所述纵梁(1)内侧固定连接有球形铰轴套(4)，所述球形铰轴套(4)与所述球形铰结构(6)配合设置。


3.根据权利要求1所述的一种新型仿生闸门结构，其特征在于：所述仿生结构支臂(5)为V型结构，所述仿生结构支臂(5)结构与麦秆结构相同。


4.根据权利要求1所述的一种新型仿生闸门结构，其特征在于：所述仿生结构支臂(5)为Y型结构，所述Y型结构连接处设置有加强节(7)，所述加强节(7)内部设有与所述仿生结构支臂(5)轴线方向相同的加强肋板。


5.根据权利要求4所述的一种新型仿生闸门结构，其特征在于：所述仿生结构支臂(5)与麦秆结构相同。


6.根据权利要求1-5所述的一种新型仿生闸门结构设计方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢遵党，张雪才，杨顺群，侯庆宏，周伟，闫文博，
申请(专利权)人：黄河勘测规划设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：河南;41