流冰碰撞下闸门的有限元分析

摘 要：在黄河开河时期，经常发生冰塞、冰坝等灾害，对水工建筑物造成破坏。文章运用ANSYS/LS-DYNA软件对流冰撞击闸门的过程进行了仿真模拟，模拟了流冰撞击闸门时冰和闸门的受力过程，同时绘制出不同速度下流冰的压强曲线。文章从有限元仿真模拟研究上，对流冰碰撞水工建筑物问题进行了分析，为以后更深入的研究工作提供了参考。

关键词：ANSYS/LS-DYNA；仿真模拟；流冰；闸门

黄河内蒙古河段地处黄河流域最北端，由于纬度较高，因此造成气温上暖下寒，并且冬季严寒而漫长，气温在0℃以下的时间可持续4～5个月，是稳定封河河段。在开河阶段，极其容易发生冰坝、冰塞等险情，并且大块的流冰对水工建筑物会造成不同程度的破坏，因此，开展流冰对建筑物的破坏研究意义重大。目前利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对撞击问题进行模拟分析越来越普遍，文章利用此软件对流冰撞击闸门问题进行分析，希望可以为冰凌的防治工作提供一定参考。

1 流冰碰撞闸门的运动方程

在文章中，流冰碰撞闸门属于低速度的非线性问题，在碰撞的瞬间流冰将发生变形，整个碰撞的过程中伴随着能量交换和吸收，在有限元方法中，其运动方程可以表示为

2 数值模型的建立

文章采用显示六面体实体单元：SOLID164，建立三维实体模型，并采用沙漏粘性阻尼，以节省存储量，增快计算速度，克服零能模式。

文章建立的有限元模型分为平板刚闸门和流冰两部分，其中平板刚闸门部分由五根纵梁，两根主梁，两根次梁和面板组成，面板宽为2640mm，长为3000mm，厚为20mm，主梁长、宽、高分别为2640mm、80mm、320mm。冰的尺寸为2m×2m×0.2m，水深5m，根据冰撞击闸门速度的不同，分别建立了流冰速度为0.5m/s、0.7m/s、1.0m/s、1.5m/s四种碰撞类型。

碰撞模型如图1所示。

闸门跟流冰的材料参数如表1、表2所示。

3 流冰与闸门的碰撞分析

3.1 碰撞能量分析

流冰撞击闸门是一个瞬间的过程，其能量交换也是在瞬间完成的，在动能转化为内能的过程中，整体的总能量是守恒的。具体的能量转换为：开始只有流冰具有动能，碰撞后，转化为冰块变形破碎的能量、剩余的动能、各物体之间因摩擦产生的内能、闸门的动能和内能和沙漏能。

碰撞过程中能量变化如图2所示，曲线A表示动能，曲线B表示内能，曲线C表示总能量。由图可以看出，当流冰与闸门碰撞瞬间，流冰动能突然减小，在0.002s时降到了最低，随后在一个范围内有限的波动。在整个撞击过程中，开始内能为零，动能最大，后来内能大于动能，说明整个过程动能大部分转化成了内能。

3.2 碰撞时流冰应力云图

流冰在碰撞瞬间的第一主应力云图和第三主应力云图如图3、4所示。

从图中可以看出，在碰撞瞬间冰最大拉应力为1.300×10-5Mpa，最大压应力为2.858×106pa，在碰撞后，冰的拉应力和压应力都在减小。

3.3 碰撞时闸门的应力云图

在碰撞瞬间闸门的第一主应力云图和第三主应力云图5、图6所示。

由图可以看出，在碰撞瞬间，闸门的最大拉应力为2.700×10-4Mpa，最大压应力为3.457×10-5Mpa。

分析流冰和闸门接触部分的单元，找到应力最大的单元，如图7所示，单元所受到的应力在碰撞的瞬间急剧增加，0.07s左右达到最大压应力值，约1.49×107Pa，小于钢材的屈服应力2.9×107Pa，所以闸门在碰撞中没有发生破坏。

4 不同流冰速度对冰压强的影响

在流冰尺寸为2m×2m×0.2m，流冰速度分别为0.5m/s、0.7m/s、1.0m/s、1.5m/s时绘制出冰体压强趋势如图8所示，从图中可以看出，随着流冰速度的增加，冰体压强呈增大趋势。

5 结束语

作者还做了当流冰的长宽都为2m×2m时，冰的厚度分别为0.1m、0.3m时候闸门的分析，分析得出当流冰速度分别为0.5m/s、0.7m/s、1.0m/s、1.5m/s时候，闸门所受的最大压强都小于钢材的屈服应力，闸门不会受到破坏。但是当流冰的长宽继续同步增大时，闸门所受的压强也随着增大，因此应提前对大体积流冰进行爆破，以防止对水工建筑物造成破坏。

参考文献

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作者简介：杨再云，男，汉族，云南丽江，工程硕士，华北水利水电大学，研究方向：水工结构。

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