【摘要】：隨著水利水電工程規(guī)模的不斷擴(kuò)大,與之配套的水工鋼閘門的尺寸也越來越大。受啟閉機(jī)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(shè)計時多采用輕量化設(shè)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(fù)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(qiáng),但是有很長的應(yīng)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(bǔ),提高薄壁鋼管的穩(wěn)定能力,充分發(fā)揮二者的力學(xué)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(jī)模擬的方法建立了泡沫鋁材料的細(xì)觀有限元模型,采用此模型進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過程的數(shù)值模擬,探究了泡沫鋁材料壓潰變形的機(jī)理。同時對數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行了處理,得到了泡沫鋁材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,并以應(yīng)力-應(yīng)變曲線為基礎(chǔ)得到了不同密度的泡沫鋁材料的本構(gòu)關(guān)系;(2)從細(xì)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(xì)長型、中長型薄壁方鋼管的有限元模型,同時建立了相應(yīng)的泡沫鋁填充鋼管的有限元模型,對模型進(jìn)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(jìn)行了靜力分析和特征值屈曲分析,通過對比分析數(shù)值模擬的結(jié)果探究了泡沫鋁填充對水工弧形鋼閘門強(qiáng)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(xì)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(chǎn)生連鎖反應(yīng),在材料內(nèi)部形成一條壓潰帶,壓潰帶向外不斷擴(kuò)展最終導(dǎo)致整體材料發(fā)生破壞;第二,采用隨機(jī)模擬的方法可以方便快捷地建立泡沫鋁材料的細(xì)觀有限元模型,便于調(diào)整孔隙率、孔隙分布等參數(shù),對真實情況的模擬效果好,且便于進(jìn)行優(yōu)化設(shè)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(cè)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(qiáng)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(zhuǎn)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(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TV663;TV672.2

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本文編號：2701322