摘要：升船机下闸首工作闸门作为升船机的重要组成部分，主要用于控制和调节升船机的水位以及保障通航船只的安全进出。采用CATIA软件建立升船机下闸首工作闸门的精确参数化三维模型，并利用Abaqus软件建立与实际情况相符的有限元模型。在常载工况下，设定适当载荷和边界条件，通过有限元分析校核闸门结构的安全性和可靠性。根据有限元计算结果进一步对闸门结构进行优化，以降低闸门质量为目标，采用参数化方法定义设计变量，包括板厚、主梁间距等。通过修改闸门参数，再次进行有限元分析，以验证优化后的闸门结构的安全性和可靠性。经过优化设计成功实现了闸门质量降低21.3%的优化效果。所采用的CATIA和Abaqus软件相结合的方法简便可靠，能够全面反映闸门结构的受力特性。通过有限元分析和优化设计，成功提高了升船机下闸首工作闸门的质量，进一步增强了其安全性和经济性。

　　关键词：航运工程；升船机；下闸首工作闸门；有限元仿真

　　0引言

　　随着我国内河航运迅猛发展，升船机在内河航运中扮演着至关重要的角色[1]。升船机下闸首工作闸门作为升船机的重要组成部分，主要用于控制和调节升船机的水位以及保障通航船只的安全进出[2]。然而，由于超大型升船机的特殊性，其下闸首工作闸门面临着常载工况下的复杂工况和严格的设计要求[3]。为了确保升船机的下闸首工作闸门在常载工况下的安全性和可靠性，本文采用有限元法对下闸首工作闸门进行仿真分析。

　　在类似课题研究方面，已有研究者取得了一些相关成果。方杨等[4]对升船机下闸首工作大门的创新技术进行探索。孙世威[5]采用有限元法对升船机闸首结构进行应力分析。黄映等[6]通过理论与有限元相结合的方法，对升船机重力式闸门梁柱弯扭进行应力分析。庆比特[7]研究挡水工作闸门的作用与运行方式，包括常见故障处理及设备检查维护。闫晓青[8]采用Flow-3D软件建立三峡升船机承船厢与下闸首卧倒门运行区域的三维模型，研究不同水位、不同波幅非恒定流对下闸首卧倒门运行的影响。

　　本文不同于上述研究，针对升船机下闸首工作闸门的仿真分析，通过有限元法来全面评估其受力特性并对闸门结构进行优化设计。研究对象是升船机的下闸首工作闸门，其基本特征包括形状、材料性质以及工作环境等。研究目标是通过有限元仿真分析，评估下闸首工作闸门在常载工况下的静强度和刚度，并验证其是否满足规范和经济性要求[9]。

　　本文采用有限元法对升船机的下闸首工作闸门进行常载工况下的仿真分析，并结合优化设计降低闸门质。通过简便可靠的计算方法，全面反映下闸首工作闸门在常载工况下的受力特性，并验证其满足规范和经济性要求。经过优化设计，成功实现了闸门质量降低21.3%的优化效果。以期通过本文研究解决升船机下闸首工作闸门在常载工况下的安全性和可靠性问题，同时进一步提高其经济性。优化后的闸门结构能够有效减轻升船机的负荷，提高运行效率，并减少事故风险。此外，本文的研究成果还可以为类似类型的升船机下闸首工作闸门的设计和改造提供有益的参考和指导，推动内河航运的发展。
       1升船机下闸首工作闸门模型建立
       下闸首工作闸门布置在升船机本体段与下游航道连接处，为正常通航时的下游工作挡水闸门[10]。闸门处孔口尺寸为13 000 mm×16 500 mm，考虑650 mm安全超高，设计挡水水头16 150 mm。闸门采用双扉平面定轮门型，由下沉式平面闸门与设置在其上部的通航卧倒式闸门组成，工作大门采用定轮支承[11-12]。通航卧倒式闸门设置在工作闸门上部的凹型结构中，是船舶进出承船厢的通道[13]。

　　为适应下游水位变幅，工作大门操作条件为动水启闭，分别由1台固定卷扬式启闭机操作。固定卷扬式启闭机容量为2×5 000 kN，扬程为40 m。通航卧倒式闸门操作条件为静水启闭，利用1台安装在工作大门上的双缸液压启闭机连接设在闸门转动底铰轴上的拐臂操作。液压启闭机容量为2×800 kN，行程为2 m。

　　采用CATIA三维软件对升船机下闸首工作闸门进行三维参数化建模，根据下闸首工作门结构的组成型式，分别建立大门门叶结构、卧倒小门门叶结构、支铰结构等结构的几何体模型[14]。下闸首工作闸门三维模型如图1所示。

模型中将面板厚度、梁格间距、翼缘板厚度等尺寸进行参数化设置，方便后续优化设计时对模型结构进行调整[15]。

　　闸门结构材料采用Q355B，弹性模量为2.06×105 N/mm2，泊松比为0.3，密度为7.85×103 kg/m3，材料许用应力值如表1所列[16]。

      2有限元模型

　　2.1空间板梁组合结构

　　根据升船机下闸首工作闸门的特点，属于由若干板壁结构组成的大型钢结构建筑，若采用传统的实体网格对下闸首工作闸门进行分网，会导致单元厚度与长宽比例失调，容易出现单元畸形以及模型网格规模过大等问题，严重影响模型计算结果[18]。根据有限元仿真的基本原理分析，通过参考其他研究中对升船机下闸首工作闸门的仿真方法，决定采用壳单元与梁单元相结合的模型来仿真升船机下闸首工作闸门，以避免出现上述单元厚度与长宽比例失调的问题[19]。采用壳单元与梁单元组合计算板梁组合结构在有限元建模分析中是最有效的方法，它能够解决下闸首工作闸门的纵向弯曲、横向弯曲、主纵梁的扭转、内力总分配以及结构的整体变形、相对绕度等问题。而且只要单元的划分得足够精细还能求得板的局部弯曲应力和板梁共同工作的合成应力。它克服了平面体系薄板结构计算方法不能反映空间结构各部分相互作用和空间刚架有限元分析方法不能计算板的局部弯曲应力和板与梁共同作用的缺点[20]。

　　2.2建立有限元网格模型

　　利用有限元软件Abaqus的壳单元和梁单元模拟下闸首工作闸门，对下闸首工作闸门的三维模型进行分网，壳单元厚度和梁单元界面参考下闸首工作闸门三维模型取值，下闸首工作闸门各部位板件厚度如表2所示。

网格采用S4R单元，模型共425 012个单元。下闸首工作闸门网格模型如图2所示。

　　2.3荷载工况与约束

　　下闸首工作闸门的有限元分析包含根据升船机运行中的几种重要工况，对下闸首工作闸门的静强度、刚度进行分析。

　　本项目设计的升船机下闸首工作闸门的载荷工况为常载工况：闸门处于最高挡水水位16 150 mm，卧倒小门全关，承船厢对接，间隙充水完毕。闸门承受载荷包含最大水头水压力，船厢和闸门之间的间隙水压力、密封框作用在闸门上的作用力。加载于下闸首工作闸门上的载荷如表3所示。

在工作闸门锁定牛腿的轴孔上施加X向和Y向约束。在定轮支承板的面处施加Z向约束。通过有限元分析，可以评估下闸首工作闸门在相应工况下的应力和变形情况，从而验证其设计的安全性和可靠性。分析结果对于闸门结构的设计优化具有重要的指导意义。

　　3有限元模型计算结果

　　采用有限元分析软件对各载荷工况下下闸首工作闸门进行计算，下闸首工作闸门应力云图如图4所示。

　　在常载工况下，下闸首工作闸门的最大形变为2.1 mm，小于规范挠度许用值13 mm（主梁跨度1/1 000），最大形变发生在底主梁翼缘板中间部位，由于底主梁承担水压力时，可以是简支梁承受均布载荷，这种情况下简支梁中心部位变形最大，所以在有限元计算结果中，形变最大位置在底主梁中间部位的翼缘板上符合理论预期；最大应力为91.5 MPa，小于Q355B材料的许用应力230 MPa，发生在面板与主梁腹板结合处，因为面板需要承受水压力，水压力通过面板传递到主梁腹板上，面板和主梁作为主要受力构件，最大应力出现在面板与主梁腹板结合处符合理论预期。

　　从上述计算结果可知，下闸首工作闸门在常载工况下，闸门结构满足强度和刚度要求，闸门最大应力和最大形变量都没有超出规范许用值，且应力分布较均匀，未出现应力集中等异常结果；但是材料强度的利用率较低，材料强度和挠度与规范许用值相比还有很大富裕量，可以根据有限元计算结果对闸门结构进行优化。

　　4优化设计

　　运用下闸首工作闸门CATIA三维参数化模型，修改闸门翼缘板、腹板、梁格尺寸等参数，优化闸门结构。优化后闸门参数如表4所示。

分别对4个优化模型进行有限元分析，计算结果如表5所示。

根据计算结果分析，优化模型2与优化模型3的结果比较接近规范许用值，优化模型2重量更轻；优化模型1计算结果最大应力和最大形变增加量有限；优化模型4最大应力超过了规范许用值。

　　综合分析，采用优化模型2设计方式，优化下闸首工作闸门结构尺寸，最大应力为201.5 N/mm2，最大形变为5.3 mm，满足规范要求，质量比初始方案轻12.4 t，质量降低21.3%。闸门应力分布较均匀，未出现应力集中等异常结果，材料强度的利用率也较合理，满足规范对下闸首工作闸门结构的受力要求和设计经济性要求。

　　5结束语

　　本研究采用CATIA建立下闸首工作闸门三维参数化模型，运用Abaqus有限元仿真功能，结合升船机运行过程中常载工况，对升船机的下闸首工作闸门进行了仿真分析，验证工作闸门的强度和刚度满足规范要求，根据仿真结果进一步优化工作闸门的结构。分析结果显示优化后的模型，其最大应力和最大形变量均满足规范要求，且应力分布较均匀，未出现应力集中等异常结果，在满足规范要求前提下，实现闸门质量降低21.3%的优化效果。本文将CATIA三维参数化建模与Abaqus有限元仿真相结合，优化模型结构的研究方法，可为类似的升船机下闸首工作门结构的设计和优化提供指导。此外，这些成果对于内河航运领域的升船机设计、应用以及相关研究和实践具有实际意义，为提高升船机的安全性、效率和可靠性提供了重要参考。

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