3.2 水工弧形闸门有限元分析

3.2.1 水库弧形闸门基础

水工闸门是水工金属结构设备，广泛应用于各类水利水电工程中，其中水库弧形闸门的挡水面为圆柱面的部分为弧形面，其具有以下优点：可封闭相当大面积的孔口；所需闸墩高度和厚度较小；没有影响水流流态的门槽，水流条件较好；所需启闭力较小；埋设件数量较少等，因此弧形闸门被普遍认为是水闸中最简单、最经济、应用较为广泛的一种门型。随着高坝建设的发展，弧形闸门的工作水头不断提高，闸门的尺寸也日趋加大。弧形闸门广泛应用于泄水建筑物的工作门。

随着我国水利、水电、水运建设事业的不断发展，高水头大坝不断兴建，工作闸门的承压水头日益加大，孔口尺寸、弧门支臂长度日益增大，大量的闸门需要满足局部开启要求，运行条件日趋复杂。

弧形闸门启闭力计算：

式中 F_w——闭门力，kN，若计算结果为“+”值时，需加重；为“-”值时，依靠自重可以关闭；

F_Q——启门力，kN；

T_zd——支承摩阻力，kN；

T_zs——止水摩阻力，kN；

r ₀、r₁、r₂、r₃和r₄——分别为转动铰摩阻力、止水摩阻力、闸门自重、上托力和下吸力对弧形闸门转动中心的力臂，m；

R ₁、R₂——分别为加重（或下压力）和启门力对弧形闸门转动中心的力臂，m；

G——闸门自重，kN；

G_j——加重块重量，kN；

P——作用在闸门上的总水压力，kN；

P_x——下吸力，kN；

n_G——计算闭门力用的闸门自重修正系数，可采用0.9～1.0。

弧形闸门是一个空间薄壁结构，从组成来看，包括面板、梁格和支臂部件。采用有限元方法按整体空间结构体系计算时，其有限元计算模型大致可以分为以下3种：

（1）板梁结构。面板采用板单元模拟；主梁、水平次梁、竖直次梁、底梁、边梁及支臂采用梁单元模拟。

（2）部分空间薄壁结构。面板采用板单元模拟，主梁及竖直次梁的腹板采用板单元模拟；翼缘由于主要受轴向力作用可采用杆单元模拟，水平次梁、底梁、边梁及支臂采用梁单元模拟。

（3）完整空间薄壁结构。将构成闸门结构的所有板件，包括面板、主梁、水平次梁、竖直次梁、底梁、边梁及支臂的腹板和翼缘等均采用板单元模拟。

从以上3种计算模型来看，板梁结构模式最精简，早期进行闸门有限元计算时由于受计算条件的限制多采用此种模型；完整空间薄壁结构模型未对闸门结构进行过多的简化，保留了原来问题的复杂性，虽计算结果更为精确，但计算量最大。由于是为了介绍分析过程，所以本节采用第1种方法进行模拟（模型简化过程见分析对象概述）。

3.2.2 分析对象简介

仿真对象为某水库上表孔露顶式弧形闸门，高度13m，宽度16m，弧门曲率半径18.5m，重量14×10⁵N。采用液压启闭机启闭闸门的方式。弧门的侧封止水设在面板的上游侧，采用L形P头橡皮，考虑一定的预压量，利用水压力压紧在边导板上；底封水设在面板的下游侧，采用刃型橡皮。侧止水与底止水之间用连接橡皮连接在一起，形成完整的封水面。弧门的支臂采用加强“A”字形结构，支臂断面为双腹板箱型结构，支臂之间的连接杆件采用与支臂等高的“工”字形断面，以提高支臂刚度。支臂的前端和后端均设有加强板，以提高支臂的抗振动能力。弧门支铰为锥形铰，各部件是焊接连接，支铰高程在最高库水位以上0.6m，分析对象如图3.35所示。

图3.35 闸门实体模型（包括闸门组成）

由于实体模型几何尺寸较为复杂，为了简化计算将上述弧形闸门进行如下简化，模型按照整体建模，弧形闸门面板为钢板焊接在骨架上，骨架简化为梁，梁体的简化为等截面的矩形梁，整体模型如图3.36所示。

图3.36 计算模型简图

3.2.3 基于ANSYS Workbench平台闸门静力学分析

（1）启动ANSYS Workbench，进入仿真平台，单击ANSYS Workbench菜单：File→Save，在弹出的Save对话框中，在模拟项目名称中输入The Analysis of a radial steel_gates in hydraulic structure（ANSYS Workbench），选择保存类型为Workbench Project Files（*wbpj），单击“Save”按钮保存仿真文件。

（2）创建分析文件，操作方法：双击Toolbox→Analysis Systems→Static Structural（ANSYS），之后在Project Schematic中创建好分析项目，右击Static Structural（ANSYS）项，在Rename右侧的输入框中输入Sluice。

（3）设定闸门的材料属性，操作方法：双击Engineering Data，在弹出的材料属性设置选项列表中，选择模拟材料为结构钢，保持默认设置，单击主菜单中“”（Re turn to Project）按钮。

（4）导入几何模型，右击Geometry，选择Import Geometry→Browse…，如图3.37所示，弹出“打开”对话框，单击浏览工作目录，并在“文件名”右侧的输入框中输入The Analy sis of a radial steel_gates in hydraulic structure.prt，或双击该模型文件，单击“打开”按钮，即可导入几何模型，如图3.38所示。

图3.37 启动导入几何模型

图3.38 浏览几何模型

（5）设置网格划分。网格控制设置、网格划分、网格细化和网格信息查看等操作均需要进入网格窗口，操作方法：双击Model，弹出A：Sluice-Mechanical［ANSYS Multiphysics］窗口，由于本例仿真模型采用整体建模，所以在网格设置和网格划分之前，可以不对几何模型各组件重命名，采用默认名称即可。

由于简化后闸门结构较为简单，且模拟的时刻为闸门挡水稳定时刻，结构上受力较为明确。静水压力的受力面为闸门面板，其他部分不受水压力的作用，因此也可以不对模型表面进行命名设置。直接设置网格划分设置，由于已经对模型进行了简化操作，在模型网格可以采用统一网格密度进行网格划分。右击Outline→Project→Modal（A4）→Mesh，选择Insert→Sizing，双击刚创建的Face Sizing，在Details of“Face Sizing”-Sizing选项设置网格划分控制，将Scope项中的Scoping Method项的下拉列表框中选择为Geometry Selection，在选择所有模型面，单击“Apply”按钮，共有258个面被选择，在Define中设置Type项为2.e-002m，其余各项保持默认，如图3.39所示，右击Outline→Project→Modal（A4）→Mesh，选择Update命令，或选择Generate Mesh命令启动网格划分工具，网格划分结束，如图3.40所示。

图3.39 网格划分控制设置

图3.40 闸门网格模型

（6）添加荷载及其边界条件。从算例描述中可见，物理模型应该考虑重力加速度和水力压力，边界还包括弹性支撑、无摩擦边界、筒承式支撑和耦合边界。下面详细介绍添加荷载和边界条件。添加重力加速度，操作方法：右击Outline→Project→Modal（A4）→Static Structural （A5），选择Insert→Standard Earth Gravity，将Details of "Standard Earth Gravity"选项中单击Scope中Geometry，选择所有的几何体，单击“Apply”按钮，将Define中Y component选项后的输入框中输入-9.8066；采用同样的办法选择添加静水压力边界（Hydrostatic Pressure），在Details of "Hydrostatic Pressure"设置窗体中，将Scoping Method选项设置为Geometry Selection，选择闸门迎水面，单击“Apply”按钮，设置Fluid Density为1000kg/m²，Hydrostatic Acceleration选项中，Define By项设置为Vector，Magnitude项中输入9.8m/s²，Direction项设置为指向闸门迎水面；Free Surface Location选项设置，选项X Coordinate和Y Coordinate为0，Y Coordinate选项为120，如图3.41选项保持默认，静水压力边界示意图如图3.43所示；添加弹性支撑，操作方法：右击Outline→Project→Modal（A4）→Static Structural（A5），选择Insert→Elastic Support，选择闸门下面支撑面，单击“Apply”按钮，设置Definition中选项，Type设置为Elastic Support，Foundation Stiffness项设置为2300000，如图3.42所示；定义无摩擦的支撑边界，操作方法：右击Outline→Project→Modal（A4）→Static Structural（A5），选择Insert→Frictionless Support，选择闸门两侧面，单击“Apply”按钮，确定设置；定义轴承式支撑，操作方法：右击Outline→Project→Modal（A4）→Static Structural（A5），选择Insert→Cylindrical Support，选择闸门主梁与动力转动轴接触面如图3.44所示，单击“Apply”按钮，保持各项默认设置，完成整个边界设置。

图3.41 静水压力边界设置

图3.42 静水压力边界设置

图3.43 静水压力边界示意图

（7）求解环境设置。整体分析环境设置，包括模型定义［Physics Type（物理模型）、Analysis Type（分析类型）、Solver Target（目标求解器）］和Options（求解选项），单击Outline→Project→Modal（A4）→Static Structural （A5），设置环境温度为默认；单击Outline→Project→Modal（A4）→Static Structural （A5）→Analysis Settings进行设置各项：Step Controls（计算步控制设置）、Solver Controls（求解器控制设置）、Nonlinear Controls（非线性求解设置）、Analysis Data Management（分析数据管理设置）和Visibility（可视化设置），如图3.45所示。以上各项保持默认设置。

图3.44 选择定义轴约束面

图3.45 求解环境设置

（8）求解输出选项设置。结构仿真主要是想研究结构本身的位移、约束反力、应力以及应变等参数在各种力学、运动、温度等荷载作用下的变化情况，闸门静力学分析主要查看：整体变形情况、结构最容易破坏结构位置，主要的应力特征分布等。现在就以设置整体变形和最大应力选项为例进行讲解，其操作方法：右击Outline→Project→Modal（A4）→Static Structural （A5）→Solution （A6），选择Insert→Deformation→Total，保持默认名称，同样也可以添加某个方向的变形（如X方向等）；添加查看最大主应变选项，其操作方法：右击Outline→Project→Modal（A4）→Static Structural（A5）→Solution（A6），选择Insert→Strain→Maximum Principal，保持默认命名（Maximum Principal Elastic Strain），单击进入如图3.46所示设置详细选项：Scope（查看范围对象）、Definition（查看项定义），Integration point result（结果云图点融合方式选项），Result（显示结果选项），Information（结果信息）。本例只查看闸门的最大主应力，具体设置：Scope选项中，将Scoping Method设置为Geometry Selection，先设置选择方式为选择几何三维体，单击选择闸门，单击“Apply”按钮；在Definition选项中的Type项后的下拉列表框中选择为Maximum Principal Elastic Strain，方式选择为time，显示结果时间为0.5s，其他各项保持默认设置，如图3.46所示。其他物理力学参数查看可以采用同样方法进行添加，此节不再赘述。

（9）求解。完成各项设置后，在认真检查设置，符合物理模型要求，即可启动求解。启动求解的操作方法：右击Outline→Project→Modal（A4）→Static Structural（A5）→Solve。求解器即可运行，对问题进行分析。

（10）求解结果输出。求解结束后，进入窗口：A：Sluice→Mechanical［ANSYS Multiphysics］，单击目录树中已经定义的需要查看结果的选项，其定义列表如图3.47所示，此时可以单击Outline→Project→Modal（A4）→Static Structural （A5）→Solution （A6）→Total Deformation，查看整体变形，如图3.48所示。同样的方法可以查看X轴方向的变形，如图3.49所示。

图3.46 设置最大压力结果输出选项

图3.47 已经定义的需要查看结果的选项

图3.48 已经定义的需要查看结果的选项

图3.49 X轴方向的变形

接着查看最大主应力，操作方法：单击Outline→Project→Modal（A4）→Static Structural （A5）→Solution （A6）→Maximum Principal Elastic Strain，结果如图3.50所示。查看破坏安全

云图，单击Outline→Project→Modal（A4）→Static Structural （A5）→Solution （A6）→Stress Tool→Satety Factor，结果如图3.51所示。

3.2.4 基于ANSYS和ANSYS Workbench平台弧形闸门瞬态响应分析模拟

1.模态分析简介

模态分析的基本方程。模态分析时，只有线性行为是有效的，因此，阻尼可以忽略，对于非线性单元，也将作为线性单元对待。考虑到闸门与水体耦合自振，模态分析的基本方程为：

图3.50 最大主应力云图

图3.51 破坏安全云图

式中 ［M］、［K］——结构质量阵和刚度阵；

［ΔM］——附加质量阵；

ω_i——第i阶振型的圆频率；

{φ_i}——第i阶振型向量。

对于大型矩阵特征值的求解方法一般有Subspace法以及Block Lanczos法。

Subspace法一般可以求得大模型的前40阶振型，适用于模型的单元形状较好，计算机的内存有限时，而Block Lanczos法可以求得大模型的前40阶以上的振型。当模型含有形状不好的单元时，也可以进行求解。适用于模型中是板壳单元或者既有板壳单元又有块体单元的情况。虽然Block Lanczos法比Subspace法快，但是需要更多内存。当计算机硬件飞速发展时，内存性能和价格的降低相对解决了这方面的困难，使得Block Lanczos法不断推广。

瞬态动力分析简介。瞬态动力分析，有时也叫时间历程分析，是用来确定结构在随时间变化的荷载下的结构动力响应的方法。因此可以用它来分析随时间变化的位移、应变、应力以及力荷载下的结构响应。在加载时间内，惯性和阻尼效果的作用较大，不能被忽略时选择采用瞬态动力分析，否则采用静力分析即可。根据系统的不同，瞬态分析分为一阶系统分析和二阶系统分析。所谓二阶系统，是指系统在时间上存在二阶状态。例如，结构分析中，存在质量矩阵，它对应的是位移的二阶导数（即加速度）。二阶系统包括结构、声学等，而热、磁、电则是一阶系统。ANSYS对不同系统采用不同分析方法。对于二阶系统瞬态分析，瞬态动力分析中求解的运动方程如下：

式中 ［M］——质量矩阵；

［C］——阻尼矩阵；

［K］——刚度矩阵；

{u″}——节点加速度向量；

{u′}——节点速度向量；

{u}——节点位移向量；

{F（t）}——荷载向量。

和静力学分析方程不同的是，方程中多了质量矩阵和阻尼矩阵，并且引入了位移矢量的微分项。ANSYS在求解该方程时，可以使用两种方法：向前差分时间积分（forward diferencetime integration）法和纽马克（Newmark）时间积分方法。向前差分法是一种显式方法；Newmark时间是一种隐式方法，主要思路是把上述方程中自由度的导数项（速度项和加速度项）用相邻点的位移项代替。所谓一阶系统，就是其控制方程是一阶的，即：

在瞬态动力分析中，需要注意的问题有：

（1）必须指定系统的杨氏模量或某种形式的刚度以形成刚度矩阵，同样必须指定密度或某种形式的质量以形成质量矩阵。

（2）若要考虑重力，不仅需要在材料性质中输入密度，而且需要输入加速度，因为ANSYS将重力以惯性力的方式施加，所以在输入加速度时，其方向应与实际的方向相反。

根据前面结束闸门的静力学分析，接下来讲一下基于ANSYS与ANSYS Workbench平台下的瞬态响应分析，其求解方法框架如图3.52所示。闸门在启动或关闭瞬间，受力条件较为复杂，破坏故障容易在此时发生。进行瞬态动力学分析主要有FULL（完全法）、Reduced（缩减法）和Mode Superposition（模态叠加法）。

图3.52 求解方法框架

3种方法以FULL（完全法）最为耗时，因为它可以进行所有非线性计算，不需要选择主自由度和振型，接受所有类型的荷载。当不存在非线性问题时，不推荐此方法。Reduced（缩减法）这种方法通过定义主自由度和简化矩阵来降低解题规模，虽然它比FULL（完全法）要快，但是Reduced Method不允许在单元上加载，所有荷载必须加在主自由度上，因此就无法在实体模型上加载，在整个瞬态动力分析中，时间步长必须保持一致，所以无法使用自动时间步长，只能允许节点对节点接触的简单非线性分析。Mode Superposition（模态叠加法）是把从模态分析中的振型（特征向量）进行组合来计算出结构响应。它在许多问题上比前两种方法要快，而且允许在单元上加载，它也允许模态的阻尼，但它在整个瞬态动力分析中，时间步长必须保持一致，所以无法使用自动时间步长，只能允许节点对节点接触的简单非线性分析，而且它还不允许强加（非零）位移。

在ANSYS中模态的提取方法有Block Lanczos法、子空间法、PowerDynamics法、缩减法、不对称法、阻尼法和QR阻尼法。本章中采用的是FULL法，其分析过程与其余的结构仿真基本相似。主要有8个步骤：前处理（建立模型和划分网格）、建立初始条件、设定求解控制器、设定其他求解选项、施加荷载、设定多荷载步、瞬态求解及后处理（观察结果）。

3.2.4.1 基于ANSYS平台弧形闸门瞬态响应分析模拟实现

（1）单击Utility Menu→Import→UG…，弹出ANSYS Connection for UG对话框，浏览按照如图3.53所示设置，在File Name项中输入：The Analysis of a radial steel_gates in hydraulic structure.prt，单击“OK”按钮，等待片刻，几何模型导入ANSYS中，查看载入模型命令：Plot→Volumes。

（2）指定分析标题并设置分析类型。设置分析文件标题：Utility Menu→File→Change Title：Utility Menu→File→Change Jobname，输入：The Analysis of a radial_steel_gates in hydraulic structure Using ANSYS，如图3.54所示。设置文件目录：Utility Menu→File→Change Directory，浏览单击D：＼WORKBENCH\，如图3.55所示。

图3.53 导入几何模型

图3.54 设置分析文件标题

设置分析类型：单击ANSYS Main Menu→Preferences for GUI Filtering，选中Structual前的复选框，单击“OK”按钮，如图3.56所示。

图3.55 设置文件目录

图3.56 设置分析类型

（3）定义单元类型。单击ANSYS Main Menu→Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete，弹出Element Types对话框，单击“Add”按钮出现Library of Element Types 对话框，选择Structural Solid，再右边的下拉列表中选择Brick 20node 95，然后单击“OK”按钮，如图3.57所示，单击Element Types对话框中的“Close”按钮就完成这项设置了。

图3.57 定义添加单元

（4）指定材料性能。由于模型采用的是整体建模，同样也简化了闸门钢材属性，统一采用结构钢，设置所有材料相同，因此只设置一种材料。单击ANSYS Main Menu→Preprocessor→Material Props→Material Models命令，弹出Define Material Model Behavior对话框，在右侧Structural→Linear→Elastic→Isotropic选项，定义材料的弹性模量和泊松系数分别为2.06E10和0.28，单击“OK”按钮，如图3.58所示；双击Structural→Density，弹出Density for material Number1对话框，输入7850，单击“OK”按钮确定密度，如图3.59所示；定义完成的材料下包含Density和Linear Isotropic，如图3.60所示，单击Material→exit命令退出材料属性定义窗口。

图3.58 定义材料的弹性模量和泊松系数

图3.59 定义材料的密度

图3.60 定义完成的材料列表

（5）划分网格。单击ANSYS Main Menu→Preprocessor→Meshing→MeshTool命令，弹出MeshTool对话框，一般采用只能划分网格，单击SmartSize命令。下面可选择网格的相对大小（太小的计算比较复杂，不一定能产生好的效果，一般做2～3组进行比较），保留其他选项，单击“Mesh”按钮弹出Mesh Volumes对话框，其他保持不变单击“Pick All”按钮，完成网格划分。最终网格划分结果如图3.61所示。

图3.61 闸门网格模型

（6）进入求解器并指定分析类型和选项。单击ANSYS Main Menu→Solution→Analysis Type→New Analysis，弹出New Analysis对话框，选择Transient前的单选按钮，如图3.62所示，单击“OK”按钮，弹出Transient Analysis对话框，选择设置项Solution Method为FULL，其余默认，如图3.63所示，单击“OK”按钮。

图3.62 指定分析类型

图3.63 瞬态分析类型定义

求解控制设置。单击ANSYS Main Menu→Solution→Analysis Type→Sol’n Controls，在弹出Solution Controls 对话框中，单击Transient选项卡，Full Transient Options选项选中Transient effects前的复选框，Midstep Criterion选项选中Midstep Criterion前的复选框；Time Integration选项Algorithm下拉列表中选择Newmark algorithm，并选中Amplitude decay前的单选按钮，在GAMMA输入框中输入0.1，其余保持默认设置，如图3.64所示，单击“OK”按钮提交设置。

图3.64 求解控制设置

（7）施加边界条件。单击ANSYS Main Menu→Solution→Define loads→Apply→Structural→Displacement→on Areas，弹出选择面的选择对话框，选择闸门下沿面，单击“Apply”按

钮弹出Apply，ROT on Areas对话框，选择在此面上施加位移约束，选择All DOF约束，单击“OK”按钮设定即可，采取相似的办法设定其他固定约束边界；添加启动闸门的动力边界方法为单击ANSYS Main Menu→Solution→Define loads→Apply→Structural→Force/Moment→On Nodes，选择闸门启动面，单击“Apply”按钮，弹出Apply F/M on Nodes对话框，选择起臂力方向为FY，在VALUE输入框中输入1500000，其余保持默认，单击“OK”按钮结束设置，如图3.65所示，添加水压力的方法与重力坝添加水压力的方法相同，此处不再赘述。

图3.65 添加起臂力设置

（8）进行求解计算。单击ANSYS Main Menu→Solution→Solve→Current LS。浏览在/STAT命令对话框中出现的信息，然后使用 File→Close命令关闭该对话框，单击“OK”按钮。求解过程结束后单击“close”按钮。

（9）查看结果，其方法与其他仿真结果方法一样，此处不再赘述。

3.2.4.2 基于ANSYS Workbench平台弧形闸门瞬态动力分析模拟

利用第3.2.2小节仿真模型，在ANSYS Workbench平台下，分析闸门在启动瞬间的受力情况。其基本操作如下：

（1）启动ANSYS Workbench，打开The Analysis of a radial steel_gates in hydraulic structure（ANSYS Workbench）.wbpj，双击Toolbox→Analysis Systems→Transient Structral（ANSYS），在Project Schematic中成功添加瞬态动力分析导向（当然也可以按照前文中从头新建模拟文件），默认其材料参数（若需要修改，可以按照相关章节进行修改添加）。单击选择Static Structural（ANSYS）的Geometry项不动，将其拖动至刚才新建的Transient Structral（ANSYS）的Geometry上后释放鼠标，瞬态分析几何模型连接完成，如图3.66所示。

图3.66 创建瞬态分析导航

（2）设置网格划分。进入网格划分窗口，操作方法：双击Model，弹出B：Sluice-Me chanical［ANSYS Multiphysics］窗口，进入此窗口后，之后的操作与第3.2.2小节（基于ANSYS Workbench平台闸门分析实现过程）第（5）步操作一致，检查后划分网格，划分结束后单击Project→Model（B4）→Mesh，打开Details of "Mesh"，查看网格统计，选择Statistics即可查看网格结果，节点数1025906，单元数为553920，如图3.67所示。

（3）添加荷载及其边界条件。根据案例问题描述，仿真物理模型涉及荷载和边界为重力加速度、水力压力和启闸力、弹性支撑、无摩擦边界、筒承式支撑和耦合边界。

详细添加荷载和边界过程。添加重力加速度，操作方法：右击Outline→Project→Modal（C4）→Transient （C5），选择Insert→Standard Earth Gravity，将Details of "Standard Earth Gravity"选项中单击Scope项中的Geometry，选择所有的几何体，单击“Apply”按钮，将Define中Y component选项后的输入框中输入-9.8066；采用同样的办法选择添加静水压力边界（Hydrostatic Pressure），在Details of "Hydrostatic Pressure"设置窗体中，将Scoping Method选项设置为Geometry Selection，选择闸门迎水面，单击“Apply”按钮，设置Fluid Density为1000kg/m²，Hydrostatic Acceleration选项中，Define By项设置为Vector，Magnitude项中输入9.8m/s²，Direction项设置为指向闸门迎水面；Free Surface Location选项设置，选项X Coordinate和Y Coordinate设置为0，Y Coordinate选项设置为120，其他选项保持默认。

添加弹性支撑，操作方法：右击Outline→Project→Modal（C4）→Transient （C5），选择Insert→Elastic Support，选择闸门下面支撑面，单击“Apply”按钮，设置Definition中选项，Type设置为Elastic Support，Foundation Stiffness项设置为2300000。

定义无摩擦的支撑边界，操作方法：右击Outline→Project→Modal（C4）→Transient （C5），选择Insert→Frictionless Support，选择闸门两侧面，单击“Apply”按钮，确定设置；定义流固耦合边界，操作方法：右击Outline→Project→Modal（C4）→Transient （C5），选择Insert→Fluid Solid Interface，选择闸门迎水面，单击“Apply”按钮，确定设置。

定义轴约束，操作方法：右击Outline→Project→Modal（C4）→Transient （C5），选择Insert→Cylindrical Support，选择闸门主梁与动力转动轴接触面，单击“Apply”按钮；添加启闸力，操作方法：右击Outline→Project→Modal（C4）→Transient （C5），选择Insert→Force，选择闸门主梁上预留上吊面，单击“Apply”按钮，定义Define by为Vector，方向选择向上，如图3.68所示，完成整个边界设置。

图3.67 网格数量统计

图3.68 设置闸门上启闸荷载

（4）求解环境设置。设置物理初始条件，为了更加准确地描述算例的瞬态分析，设置闸门开启速度为0.5m/s，操作方法：选择Outline→Project→Modal（C4）→Transient （C5）→Initial Conditions，选择Insert→Velocity，即插入初始条件，详细各项在Details of “Velocity”中设置，Scoping Method中设置为Geometry Selection，将选择几何体工具修改为，单击选择闸门体，单击“Apply”按钮，将Defination项中，选项Input Type设置为Velocity，选项Define By设置为Vector，选项Total设置为0.05m/s，选项Direction选择向上，单击“Apply”按钮，完成初始条件设置。

（5）整体分析环境设置，单击选择Outline→Project→Modal（B4）→Transient （B5），其中包括模型定义［Physics Type（物理模型）、Analysis Type（分析类型）、Solver Target（目标求解器）］和Options（求解选项），单击Outline→Project→Modal（B4）→Static Structural （B5），设置环境温度为默认；单击Outline→Project→Modal（B4）→Static Structural （B5）→Analysis Settings进行各项设置：Step Controls（计算步控制设置）、Solver Controls（求解器控制设置）、Nonlinear Controls（非线性求解设置）、Analysis Data Management（分析数据管理设置）和Visibility（可视化设置）。为了让求解结果导入ANSYS经典平台查看，此处将Analysis Data Management中Save ANSYS db项选择“Yes”，其余保持默认设置，其中以上各大项保持默认设置，如图3.69所示。

图3.69 求解环境设置

（6）求解输出选项设置。其设置步骤和方法与前文（基于ANSYS Workbench静力学仿真实现过程）相同，本小节不再赘述。

（7）求解并查看计算结果。完成各项设置后，认真检查设置，符合物理模型要求，单击“保存”按钮，之后即可启动求解。启动求解的操作方法：右击Outline→Project→Modal（B4）→Static Structural （B5）→Solve。求解器即可运行，对问题进行分析。等求解结束，可以查看仿真结果，此处不再列出结果截图。

（8）将输出结果中的*.db文件导入ANSYS中，并查看仿真结果。根据ANSYS Workbench的仿真结果文件存储，可以查找到本案例所存储的*.db文件，其默认名称为：File.db，路径为D：＼＼WORKBENCH＼The Analysis of a radial steel_gates in hydraulic structure（ANSYS Workbench）_files＼dp0＼SYS-1＼MECH，如图3.70所示。

单击Windows桌面左下方开始→所有程序→ANSYS 12.1→Mechanical APDL Product Launcher，启动ANSYS程序选项设置窗口，设定工作目录和仿真名称分别为D：＼＼WORKBENCH和The_Analysis_of_a_radial_steel_gates_in_hydraulic_structure_Using_ANSYS，单击“OK”按钮，进入ANSYS平台。单击File→Resume from…，弹出Resume Database对话框，浏览并选择File.db文件，如图3.71所示，单击“OK”按钮并导入仿真结果，如图3.72所示。

图3.70 仿真结果文件存储列表

图3.71 导入分析文件

图3.72 网格模型

导入仿真模型后，可以对模型进行修改、再次计算、查看结果等操作。在最后计算步结束后，闸门启动，闸门沿X轴方向的位移云图如图3.73所示，此处不再将其余的结果截图一一列出。

图3.73 闸门沿X轴方向的位移云图