关于三维绘图及有限元软件SolidWorks在启闭机设计

　　0 引言
　　我们知道闸门和启闭机等金属结构和机械是水利水电枢纽的重要组成部分，与大坝、厂房、船闸等建筑物相比，它们似乎是次要的结构，但对工程的安全有效运行却至关重要，比如汶川大地震中，许多水利水电工程出现险情，多数是闸门、启闭机操作困难，无法控制库水位及下泄流量，甚至溢顶。启闭机主梁、门腿的强度和刚度对整个启闭机的安全可靠使用有很大的影响。为了保证启闭机的安全可靠，用有限元法对启闭机的主梁和门腿进行分析和优化是非常必要的。同时为了充分利用材料性能，降低制造和运输成本，用Solidworks中的Cosmosworks插件对启闭机进行了优化。
　　启闭机的3D建模
　　这里以金安桥水电站QM4000/1000kN门式启闭机为例，启闭机的主起升载荷4000kN，副起升载荷1000kN，首先根据经验设计的原始尺寸画出启闭机的分析模型。用有限元法求解结构问题时，如对实际结构直接进行分析，无论从问题的复杂程度或节省资源方面考虑都是不明智的，因此在满足确定性的前提下首先确定关键的部位，对实际结构进行合理简化。在简化的基础上，建立几何模型以满足有限元分析的要求。在建立启闭机3D虚拟样机模型时，应保证模型与实际结构尽可能相一致，以使模型能够反映启闭机的力学特性的原则下，对实际结构作必要的简化:忽略结构上的螺栓孔，假定所有焊缝为连续全焊透.不考虑焊缝处材料力学特性的变化，启闭机主结构所用的材料为Q345Ca
　　2 启闭机的有限元分析和优化
　　2.1 分析过程
　　(1)创建静态研究:由于启闭机工作时速度很低，在每个瞬间可以看作是静态的，因此采用静态研家。
　　(2)指定材料:主结构所用材料为Q345C
　　(3)载荷和约束:施加外载荷时应考虑主梁的均布载荷和集中载荷，把梁的自重和风载视为均布载荷，小车和起吊重物视为集中载荷，约束施加在四个门腿的下端。
　　(4)网格划分:划分网格时应考虑网格的数量和疏密，分网精度根据分析目的及分析对象的受载情况、结构的尺寸等来决定，在此选用实体网格。
　　(5)运行分析:当进行完设定材料、定义负荷和约束、对模型进行网格划分后，就可以进行分析了。
　　(6)观察结果:运行分析后，系统自动生成一个标准的结果报告。
　　这里把启闭机的工作过程分为四种工况，每种工况下的应力、位移图示如下:
　　工况1:副小车位于上游跨外7.45m起吊，主钩空载位于跨中时的静态节应力图如图1所示。
　　工况2:主钩位于跨中起吊，副钩空载位于跨外7.6m时，静态节应力图如图2所示。
　　工况3:副小车位于上游跨外7.45m，副钩携带载荷运行制动，主钩空载时静态节应力图如图3所示。
　　工况4:主钩位于跨中，携带载荷运行制动，副钩空载位于跨外7.45m时，静态节应力图与静态位移图如4所示。

    
　　通过对以上结果的分析，最危险的为工况2，最大应力部位位于跨中，值为133.8MPa，小于218MPa，这里的最大应力包括应力集中部位的应力值，在非应力集中处，即使应力较大区域处的应力值也远远小于这个数值，另外通过4个工况最大位移在悬臂端，值为8.7mm,悬臂长13.5m，相应的许用挠度值为13500/800=16.9mm，也处在绝对安全的范围内。从结果来看，可以对启闭机的主梁和门腿进行优化。
　　2.2 对启闭机的主梁和门腿进行优化
　　优化主梁和门腿的横截面积和几何尺寸:
　　(1)参数化设计变量:把主梁和门腿的几何尺寸定义为设计变量，在以后的优化过程中将被改变以达到最佳值。
　　(2)设置实常数及定义材料属性:对主梁和门腿的实常数分别进行设置。
　　(3)设置应力约束和位移约束:应力安全系数取1.3，则约束应力为：

    
　　运行优化设计，以主梁上翼缘和腹板的优化结果为例，图5为设计变量与设计组的关系。表1列出优化结果。

     
　　3 结论
　　对优化前后的数据进行对比，截面尺寸比原尺寸有所减小，减小了材料的用量，制造成本和运输成本均下降，但原启闭机在实际工作时，证明是安全可靠的，优化后的尺寸在理论上是可行的，但是在实际制造时，仍需根据实际情况和以往的经验做出合理的选择，在这里只是作为一种优化手段，只有各种情况都考虑进去，才能设计出安全可靠的启闭机。