【摘要】：隨著水利水電工程規(guī)模的不斷擴大,與之配套的水工鋼閘門的尺寸也越來越大。受啟閉機容量等約束條件的限制,水工鋼閘門的自重不能過大。因此現(xiàn)代水工鋼閘門設計時多采用輕量化設計方案,以減輕閘門自重,提高閘門啟閉的靈活程度。然而,輕量化也會帶來一些負面影響,比如支臂容易失穩(wěn)以及容易發(fā)生流激共振等。泡沫鋁填充鋼管是解決這一問題的很好途徑,泡沫鋁材料本身承載能力不強,但是有很長的應力平臺,可以在外荷載作用下持續(xù)變形。將泡沫鋁材料填充到薄壁鋼管中可以實現(xiàn)兩種材料的優(yōu)勢互補,提高薄壁鋼管的穩(wěn)定能力,充分發(fā)揮二者的力學性能。因此,將泡沫鋁材料填充到水工弧形鋼閘門的支臂中是解決閘門輕量化問題的一個可能途徑。本文主要做了以下幾方面的工作:(1)采用隨機模擬的方法建立了泡沫鋁材料的細觀有限元模型,采用此模型進行了準靜態(tài)壓縮過程的數值模擬,探究了泡沫鋁材料壓潰變形的機理。同時對數值模擬的結果進行了處理,得到了泡沫鋁材料的應力-應變曲線,并以應力-應變曲線為基礎得到了不同密度的泡沫鋁材料的本構關系;(2)從細長型壓桿臨界荷載的歐拉公式出發(fā)得到了長寬比和寬厚比為影響薄壁方鋼管穩(wěn)定性能的兩個變量。分別建立了細長型、中長型薄壁方鋼管的有限元模型,同時建立了相應的泡沫鋁填充鋼管的有限元模型,對模型進行了靜力分析和特征值屈曲分析,探究了泡沫鋁填充對薄壁方鋼管穩(wěn)定性能的影響以及長寬比、寬厚比、泡沫鋁填充密度的影響;(3)建立了水工弧形鋼閘門的有限元模型,將泡沫鋁材料填充到該閘門的箱形支臂中,對模型分別進行了靜力分析和特征值屈曲分析,通過對比分析數值模擬的結果探究了泡沫鋁填充對水工弧形鋼閘門強度、剛度以及穩(wěn)定性的影響,驗證了支臂填充泡沫鋁這一方案的可行性。本文研究表明:第一,從細觀角度來講,泡沫鋁材料的壓潰破壞首先發(fā)生在孔隙與孔隙間距過小的位置,局部孔隙的壓潰會產生連鎖反應,在材料內部形成一條壓潰帶,壓潰帶向外不斷擴展最終導致整體材料發(fā)生破壞;第二,采用隨機模擬的方法可以方便快捷地建立泡沫鋁材料的細觀有限元模型,便于調整孔隙率、孔隙分布等參數,對真實情況的模擬效果好,且便于進行優(yōu)化設計。第三,將泡沫鋁填充到薄壁鋼管中后,泡沫鋁可以有效抑制管壁的側向變形,防止管壁發(fā)生局部屈曲,提高薄壁鋼管的彈性穩(wěn)定性能。第四,將泡沫鋁填充到水工弧形鋼閘門的支臂中可以提高約15%的靜力強度,并明顯減小閘門的變形。同時,泡沫鋁填充可以將鋼閘門的局部屈曲位置由穩(wěn)定性較差的支臂轉移到穩(wěn)定性較好的主縱梁上,提高鋼閘門的整體穩(wěn)定性能。
【學位授予單位】：西北農林科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TV663;TV672.2

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本文編號：2701322