水工弧形钢闸门约束阻尼层减振设计方法
【专利摘要】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。
【专利说明】
水工弧形钢闸门约束阻尼层减振设计方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种水工弧形钢闸门约束阻尼层减振设计方法。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
【发明内容】
[0005] 本发明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。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案: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We st ergaard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。
[0007] 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。
[0008] 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Λ/Χ和犮分别为质量、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。
[0009] 步骤(2)中通过Westergaard法计算水的等效质量： ，其中香..为水的 密度;li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。
[0010] 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:+ 慕:|=灌，特 征值为土％称之为稳定系数，1为考虑阻尼影响的圆频率，阻尼比为： 痴，，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：
，则动力学方程写出状态方程形 式为::羊遷f二瓦騎;为了简化计算，可引入常数等式處?，这样可实现化积分运算为 代数运算。动力学方程可表示为：
则方程可表示为:_ 方程的解为：銀輕0Θ(Α) 传递矩阵的表达式为:;其中为离散时间步长。
[0011] 采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果： (1) 本发明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】
[0012] 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】
[0013] 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。
[0014] 本发明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：+沿7 =/，式中和:Ι?分别 为质量、阻尼和刚度的矩阵;i、l和1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We s t er gaar d法计算水的等效质量，_麵二.名，其中为水的密度;為:为闸 门水深;少为库水水头，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： 義，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%， 由于吊杆仅受轴向拉压力，受力形式比较简单;支臂不仅受拉压作用，而且受到弯曲和扭转 作用，荷载效应十分复杂，加上现有弧形钢闸门破坏情况分析发现，大部分闸门溃塌都由支 臂破坏引起，故在支臂上设置约束阻尼层能有效降低结构振动，防止闸门因支臂破坏而导 致整个结构的倒塌，约束阻尼层形状和在弧形闸门支臂上的布置如图2和图3所示。流激荷 载压力时程曲线和Fourier幅值图如图4所示。
[0015] (4)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，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：|翁沪+ ?:+?1 =發， 特征值为称之为稳定系数，爲为考虑阻尼影响的圆频率，阻尼比为： 獨，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：
，则动力学方程写出状态方程形 式为:虞兹艺二;为了简化计算，可引入常数等式:鐵:_=Φ，这样可实现化积分运算为 代数运算。动力学方程可表示为
则方程可表示为: 方程的解为： 传递矩阵Γ?Υ)的表达式为:贫;其中r为离散时间步长。
[0016] 合理的弧形钢闸门支臂上约束阻尼层优选对比方案如表1所示，表1:
可见，约束阻尼层对结构平动振型和弯曲振型阻尼比有放大作用，例如一阶和二阶阻 尼比；当为扭转振型时，约束阻尼层对振型阻尼比改变不十分明显。选用阻尼层/约束层厚 度为10/8mm时，支臂综合位移时程曲线如图5所示;设置约束阻尼层能前后支臂中点的最大 综合位移、综合速度和综合加速度对比值如表2所示，表2:
本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的 技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的 保护范围。
【主权项】
1. 水工弧形钢闽口约束阻尼层减振设计方法，所述的弧形钢闽口包括弧形面板、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W下步骤： (1) 对弧形钢闽口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 弧形钢闽口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闽口的动力特性影 响； (3) 对弧形钢闽口进行结构模态应变能分析，分析得出弧形钢闽口支臂模态应变能的 值为最大值； (4) 在弧形钢闽口的支臂结构上设置用于减小弧形钢闽口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闽口的支臂阻尼比，降低结 构的流激荷载效应。2. 根据权利要求1所述的水工弧形钢闽口约束阻尼层减振设计方法，其特征在于: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。3. 根据权利要求2所述的水工弧形钢闽口约束阻尼层减振设计方法，其特征在于:步骤 (1) 中，对弧形钢闽口的动力学特性分析采用的公式为：通猫宇織柄驗-:f，式中游、按和 嚴分别为质量、阻尼和刚度的矩阵;孩、?巧巧分别为位移、速度和加速度;/为流激荷载。4. 根据权利要求3所述的水工弧形钢闽口约束阻尼层减振设计方法，其特征在于:步骤 (2) 中通过Weste巧aard法计算水的等效质量:雌=热^側，其中稱为水的密度；&为闽口水 深;穿'为库水水头，模拟水压力对弧形钢闽口的动力特性影响。5. 根据权利要求4所述的水工弧形钢闽口约束阻尼层减振设计方法，其特征在于:所述 步骤(5)中的弧形钢闽口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：J絲麥4按务車浆I吉货，特征值为： 兹称之为稳定系数，锅为考虑阻尼影响的圆频率，阻尼比为:領啼μ傑，由 计算结果确定合理约束层和阻尼层的厚度；W下为计算过程： 令，则动力学方程写出状态方程形式 为:去盎F:二:岡^;为了简化计算，可引入常数等式摄磯=私运样可实现化积分运算为代 数运算，动力学方程可表示为：再令贝防程可表示为:媛雜 方程的解为：藝錢游 传递矩阵紋巧的表达式为:巧嫌转茲轉;其中::r为离散时间步长。
【文档编号】G06F17/50GK106096142SQ201610419779
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月14日 公开号201610419779.X, CN 106096142 A, CN 106096142A, CN 201610419779, CN-A-106096142, CN106096142 A, CN106096142A, CN201610419779, CN201610419779.X
【发明人】吴泽玉, 汪志昊
【申请人】华北水利水电大学