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船闸是重要的水运通航建筑物,人字闸门是船闸工程中最常采用的闸门形式之一,底枢则是人字闸门中重要的支承运转部件,构造和受力均较复杂。随着国民经济和水运事业的快速发展,许多重要运河上的船闸日开启次数大大增加,使得因底枢磨损严重而导致失效的人字闸门日渐增多,影响了船闸的正常通航。
针对上述现象,结合江苏省交通厅航道局委托课题,本文采用有限元分析方法对人字闸门底枢摩擦副接触问题进行分析研究,主要研究人字闸门底枢摩擦副的接触应力。在介绍人字闸门底枢的构造特性、工作原理、破坏形式、破坏机理的基础上,详细地分析比较了人字闸门底枢摩擦副设计中常用的赫兹经典理论公式及两个经验公式的原理和适用性。然后采用ANSYS结构分析软件,对人字闸门底枢摩擦副的接触应力进行有限元分析,以期得到接触应力的合理计算公式。本文的主要研究成果如下:
1、分析计算了人字闸门底枢在不同荷载、不同轴头半径、不同合力角情况下,共190种工况时蘑菇轴头的接触应力。
2、将上述有限元分析结果与赫兹理论计算值及两个经验公式计算值对比,分析了工程设计中常用计算公式的适用性与合理性。有限元分析计算结果与经典的赫兹接触理论较接近,说明其值能够较好的反应底枢摩擦副的接触状态。
3、运用Origin和1stOpt曲线拟合软件,对人字闸门底枢摩擦副接触应力的有限元计算结果进行二维、三维、四维的曲线拟合及数值回归,得到了与底枢蘑菇轴头半径、荷载、合力角相关的底枢摩擦副接触应力的拟合公式,从而为人字闸门底枢摩擦副的合理计算与设计提供科学依据。