CN103400002B - 平面闸门设计仿真平台 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水工钢闸门技术领域，为开发一种平面闸门设计仿真平台使设计人员从这种繁琐、重复性工作中解脱出来，为此，本发明采取的技术方案是，平面闸门设计仿真平台，包括闸门整体参数、梁格布置、面板设计、梁格设计、主梁设计、隔板设计、横向连结系、边梁设计界面、滚轮及滑块设计以及启门力和吊耳计算10个模块组成。本发明主要应用于水工钢闸门设计。
Description
技术领域
本发明涉及水工钢闸门技术领域，具体讲，涉及平面闸门设计仿真平台。
背景技术
平面钢闸门是水工钢结构中最常见的结构形式，被广泛应用到水利工程建设中。传统的闸门设计主要根据规范中的经验公式和方法，设计计算不但繁琐、工作量大，而且含有大量的简单重复性工作，极大地降低了设计人员的工作质量和效率。随着计算机应用技术的迅速发展，设计人员摒弃了传统的设计方法，逐步地采用现代化的设计方法。到目前为止，计算机参数化辅助技术已经广泛地被应用到水利工程设计领域。
平面钢闸门以其结构简单、操作运行方便和易于布置等优点得到广泛使用。但是其设计繁琐，重复性工作较多，这对于提高设计效率、缩短设计周期极为不利。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，开发一种平面闸门设计仿真平台使设计人员从这种繁琐、重复性工作中解脱出来，为此，本发明采取的技术方案是，平面闸门设计仿真平台，包括闸门整体参数、梁格布置、面板设计、梁格设计、主梁设计、隔板设计、横向连结系、边梁设计界面、滚轮及滑块设计以及启门力和吊耳计算10个模块组成；
（1）闸门整体参数界面
设计仿真平台的闸门整体参数界面包括：①输入参数：闸门孔口尺寸类型、面板布置位置、上下游水头高度、底槛高程、闸门型式、孔口宽度、孔口高度、水面至门顶的距离、风浪爬高、钢材型号及钢材弹性模量；②输出参数：设计水头、下游水深、总静水压力、静水压力的作用位置、封口高度和宽度、闸门计算跨度的计算值；
（2）梁格布置界面
梁格布置界面主要分为梁格布置和边梁隔板布置两部分；其中梁格布置部分包括：①输入参数：选择主梁的数目和选择次梁的数目；②输出参数：梁格布置坐标；边梁与隔板布置部分包括：①输入参数：单腹板边梁、双腹板边梁以及隔板数量；②输出参数：边梁腹板到隔板的距离以及隔板之间的间距；
（3）面板设计界面
面板设计界面包括：①输入参数：面板矩形弹性薄板类型；②输出参数：各个区格的长、宽、长宽比、载荷、各个区格的面板厚度以及计算面板厚度；
（4）梁格设计界面
梁格设计界面包括次梁的载荷和次梁界面验算两部分内容，次梁载荷输入参数从公共数据库获得，输出参数包括水平次梁计算载荷最大值、水平次梁最大负弯矩值、水平次梁弯矩最大弯矩值、水平次梁界面抗矩；次梁界面验算包括：①输入参数：次梁钢材型式和次梁钢材型号；②输出参数：截面矩、惯性矩、抗弯刚度、正应力以及挠度；
（5）主梁设计界面
主梁设计界面包括主梁载荷与几何输入输出参数、强度验算以及主梁参数示意图三部分组成，其中主梁载荷与几何输入参数包括：主梁容许挠度；输出参数包括：主梁容许挠度、内力计算、梁高设计、翼缘设计；强度验算包括：主梁最小界面抗矩、主梁惯性矩、截面下半部对中性轴面积矩、主梁最大弯应力以及主梁最大剪应力；
（6）隔板设计界面
隔板设计界面包括：内力计算、横隔板设计以及截面验算三部分组成，内力计算主要进行隔板最大弯矩和支座剪力计算；横隔板设计主要确定上翼缘利用面板宽度、隔板高度、下翼缘宽度以及下翼缘厚度；截面验算包括：截面惯性矩、最小截面抵抗矩、面积矩、最大正应力以及最大剪应力；
（7）横向连接系设计界面
横向连接系设计界面包括闸门自重估算参数、荷载和内力计算以及斜杆截面计算三部分组成，闸门自重估算参数包括：露顶闸门行走支承类型、露顶式闸门的材料系数、孔口高度系数、潜孔闸门的行走支承类型、潜孔闸门工作性质系数、水头修正系数、孔口高度比修正系数和潜孔滑动闸门水头修正系数；荷载和内力计算包括：平面钢闸门自重估算、纵向连接系上下弦的距离和斜杆承受最大压力；斜杆截面计算包括：选用单角钢、长细比、斜杆计算长度和拉杆强度验算；
（8）边梁设计界面
边梁设计界面包括：输入支撑点的位置、边梁强度验算和边梁结构三部分组成，输入支撑点的位置包括：上支撑到门底的距离和下支撑到门底的距离。边梁结构包括：腹板高度、腹板厚度、上翼缘宽度、上翼缘厚度、下翼缘宽度和下翼缘厚度；边梁强度验算包括：上支撑受到压力、下支撑受到压力、边梁最大弯矩、边梁最大剪力、边梁最大轴向力、截面面积、截面惯性矩、截面抵抗矩、截面边缘最大正应力和截面边缘最大剪应力；
（9）滚轮及滑块设计界面
滚轮及滑块设计界面包括：滚轮参数、轨道参数以及轨道截面示意图三部分组成，滚轮参数包括：滚轮半径、轮轴半径、滚轮轮缘宽度、轴套长度、滚动轴承滚柱半径和滚轮数目；轨道参数包括：轨头宽度、轨道高度、轨道底板宽度、轨道底板厚度、颈部厚度和轨头厚度；轨道截面示意图展示了轨道截面的几何参数位置；
（10）闸门启门力计算和吊耳计算界面
闸门启门力计算界面包括：闸门启门力计算表和闸门关闭计算表，闸门启门力计算表包括：闸门开度、行走支承摩阻力、止水摩阻力、闸门自重、动水垂直力、加重重量和启门力；闸门闭门力计算表包括：闸门开度、行走支承摩阻力、止水摩阻力、闸门自重、动水垂直力、加重重量和闭门力。
本发明具备下列技术效果：平面闸门设计仿真平台能够降低设计人员的工作强度，提供设计效率。将平面闸门设计过程中繁琐的计算和重复性的工作交由计算机完成，使设计人员能够拿出更大的精力用于设计方案的优化和创新。
附图说明
图1为设计仿真平台的登录界面；图2为设计仿真平台的设计主界面；
图3为设计仿真平台的闸门整体参数界面；图4为设计仿真平台的梁格布置界面；
图5为梁格布置计算流程图；图6为设计仿真平台的面板设计界面；
图7为面板厚度计算流程图；图8为设计仿真平台的梁格设计界面；
图9为次梁设计流程图；图10为设计仿真平台的主梁设计界面；
图11为主梁设计流程图；图12为设计仿真平台的横向隔板设计界面；
图13为设计仿真平台的纵向连接系设计界面；图14为边梁荷载计算示意图；
图15为设计仿真平台的边梁设计界面；
图16为设计仿真平台的滚轮及滑块设计界面；
图17为闸门启门力计算流程图；图18为闸门底缘型式；
图19为设计仿真平台的启闭力计算界面；图20为设计仿真平台的启闭机及吊耳界面；
图21为设计仿真平台调用AutoCAD输出结果。
具体实施方式
本发明仿真平台由闸门整体参数、梁格布置、面板设计、梁格设计、主梁设计、隔板设计、横向连结系、边梁设计界面、滚轮及滑块设计以及启门力和吊耳计算等10个界面组成。
（1）闸门整体参数界面
设计仿真平台的闸门整体参数界面包括：①输入参数。闸门孔口尺寸类型、面板布置位置、上下游水头高度、底槛高程、闸门型式、孔口宽度、孔口高度、水面至门顶的距离、风浪爬高、钢材型号及钢材弹性模量；②输出参数。设计水头、下游水深、总静水压力、静水压力的作用位置、封口高度和宽度、闸门计算跨度的计算值。如图3所示。
（2）梁格布置界面
梁格布置界面主要分为梁格布置和边梁隔板布置两部分。其中梁格布置部分包括：①输入参数。选择主梁的数目和选择次梁的数目；②输出参数。梁格布置坐标。边梁与隔板布置部分包括：①输入参数。单腹板边梁、双腹板边梁以及隔板数量；②输出参数。边梁腹板到隔板的距离以及隔板之间的间距。如图4所示。
（3）面板设计界面
面板设计界面包括：①输入参数。面板矩形弹性薄板类型；②输出参数。各个区格的长、宽、长宽比、载荷、各个区格的面板厚度以及计算面板厚度。如图6、7所示。
（4）梁格设计界面
梁格设计界面包括次梁的载荷和次梁界面验算两部分内容，如图8、9所示。次梁载荷输入参数从公共数据库获得，输出参数包括水平次梁计算载荷最大值、水平次梁最大负弯矩值、水平次梁弯矩最大弯矩值、水平次梁界面抗矩。次梁界面验算包括：①输入参数。次梁钢材型式和次梁钢材型号；②输出参数。截面矩、惯性矩、抗弯刚度、正应力以及挠度。
（5）主梁设计界面
主梁设计界面包括主梁载荷与几何输入输出参数、强度验算以及主梁参数示意图等三部分组成，如图10、11所示。其中主梁载荷与几何输入参数包括：主梁容许挠度；输出参数包括：主梁容许挠度、内力计算、梁高设计、翼缘设计。强度验算包括：主梁最小界面抗矩、主梁惯性矩、截面下半部对中性轴面积矩、主梁最大弯应力以及主梁最大剪应力。主梁参数示意图展示了中性轴的位置。
（6）隔板设计界面
隔板设计界面包括：内力计算、横隔板设计以及截面验算三部分组成，如图12所示。内力计算主要进行隔板最大弯矩和支座剪力计算。横隔板设计主要确定上翼缘利用面板宽度、隔板高度、下翼缘宽度以及下翼缘厚度。截面验算包括：截面惯性矩、最小截面抵抗矩、面积矩、最大正应力以及最大剪应力。此界面的输入窗口为判定验证后的截面参数是否可用。
（7）横向连接系设计界面
横向连接系设计界面包括闸门自重估算参数、荷载和内力计算以及斜杆截面计算三部分组成，如图13、14所示。闸门自重估算参数包括：露顶闸门行走支承类型、露顶式闸门的材料系数、孔口高度系数、潜孔闸门的行走支承类型、潜孔闸门工作性质系数、水头修正系数、孔口高度比修正系数和潜孔滑动闸门水头修正系数。荷载和内力计算包括：平面钢闸门自重估算、纵向连接系上下弦的距离和斜杆承受最大压力。斜杆截面计算包括：选用单角钢、长细比、斜杆计算长度和拉杆强度验算。
（8）边梁设计界面
边梁设计界面包括：输入支撑点的位置、边梁强度验算和边梁结构三部分组成，如图15所示。输入支撑点的位置包括：上支撑到门底的距离和下支撑到门底的距离。边梁结构包括：腹板高度、腹板厚度、上翼缘宽度、上翼缘厚度、下翼缘宽度和下翼缘厚度。边梁强度验算包括：上支撑受到压力、下支撑受到压力、边梁最大弯矩、边梁最大剪力、边梁最大轴向力、截面面积、截面惯性矩、截面抵抗矩、截面边缘最大正应力和截面边缘最大剪应力。
（9）滚轮及滑块设计界面
滚轮及滑块设计界面包括：滚轮参数、轨道参数以及轨道截面示意图三部分组成，如图16所示。滚轮参数包括：滚轮半径、轮轴半径、滚轮轮缘宽度、轴套长度、滚动轴承滚柱半径和滚轮数目。轨道参数包括：轨头宽度、轨道高度、轨道底板宽度、轨道底板厚度、颈部厚度和轨头厚度。轨道截面示意图展示了轨道截面的几何参数位置。
（10）闸门启门力计算和吊耳计算界面
闸门启门力计算界面包括：闸门启门力计算表和闸门关闭计算表，如图17～19所示。闸门启门力计算表包括：闸门开度、行走支承摩阻力、止水摩阻力、闸门自重、动水垂直力、加重重量和启门力。闸门闭门力计算表包括：闸门开度、行走支承摩阻力、止水摩阻力、闸门自重、动水垂直力、加重重量和闭门力。
吊耳计算界面包括吊耳及启闭机设计和闸门启闭力和吊耳计算，如图20所示。吊耳及启闭机设计包括：吊点类型、启闭机类型和启闭机型号。
下面结合附图和具体实施方式进一步详细说明本发明。
(1)图1为平面闸门设计仿真平台的登录界面。由于设计图纸属于保密性资料，因此本设计仿真平台为每个用户分配了一个空间，只需输入正确的用户名和密码，并点击“登录系统”即可进入平面闸门设计仿真平台的主界面，如图2所示。
(2)图2为设计仿真平台的主界面。此界面展示的是整个设计过程的所有设计内容。整个设计过程遵从：由整体到局部的设计思路。选择“钢闸门整体资料”选项，点击“确定”按钮便进入“闸门整体参数界面”，如图3所示。
(3)图3为闸门整体参数界面。按照提示输入闸门的整体参数：闸门孔口尺寸类型、面板布置位置、上下游水头高度、底槛高程、闸门型式、孔口宽度、孔口高度、水面至门顶的距离、风浪爬高、钢材型号及钢材弹性模量。输入完以上各参数值，点击“计算”按钮，在下面的输出显示框中便会输出设计水头、下游水深、总静水压力、静水压力的作用位置、封口高度和宽度、闸门计算跨度的计算值。计算所得的数值将被保存在公共数据库中以便设计流程的其它步骤使用。当完成以上操作后，点击“下一步”将进入到“梁格布置界面”，如图4所示。
(4)图4为梁格布置界面。首先需选择边梁的腹板截面形式(单腹式和双腹式)。然后在“隔板数量”中输入隔板的数量。完成上述工作之后，点击“确定边梁和隔板位置”按钮，将会在右下角的输出框中，输出隔板和边梁的相对位置，如图4、5所示。此界面内的最终计算结果都将会保存到公共数据库中，方便调用。点击“返回”按钮，返回到设计主界面。继续进行“面板设计”，如图6所示。
(5)图6为面板设计界面。在此界面中需要操作人员选择“面板矩形弹性薄板类型”。选择完“面板矩形弹性薄板类型”之后，点击“面板厚度计算”，在下面的相应位置将输出最终面板厚度值。并将此数值存储在公共数据库中。点击“下一页”按钮，进入到“梁格设计界面”，如图8所示。
(6)图8为梁格设计界面。在次梁设计界面中包括两项内容：次梁的载荷计算和次梁截面验算。进行次梁载荷计算时，操作人员只需点击“计算次梁载荷”按钮便可以完成相关计算。进行“次梁截面验算”是必不可少的步骤。首先，选择次梁钢材型式；其次，选择次梁钢材型号；最后，点击“次梁强度计算”按钮，得出相关结论。完成次梁设计之后点击“下一步”按钮，进入到“主梁设计界面”，如图10所示。
(7)图10为主梁设计界面。操作人员进入主梁的设计主界面后输入主梁的容许挠度之后点击“内力计算”按钮，平台便会从公共数据库读取主梁所承受的载荷。根据这些数据计算主梁的最大弯矩、最大剪力和主梁截面所需的截面。点击“计算”按钮，平台在获得截面所受的外力和变形之后，依据梁的容许挠度值、经济梁高和刚度允许梁高计算出实际梁高。在有了梁高和最大剪力的情况下，便可以求得腹板和翼缘的相关尺寸。完成上述主梁的相关规格尺寸设计之后，还有对这些尺寸进行验证。看是否满足要求，输出最后的验证结果。当不满足时，平台会重新调整初始值，进行重新计算直至满足要求。点击“返回”按钮进入“横向隔板设计界面”如图12所示。
（8）图12为横向隔板设计界面.。点击“确定”按钮，计算出一组横向隔板尺寸值，再点击“强度验算”按钮，对这一组数值进行验算。如果不符合要求继续点击“确定”按钮，生成新的尺寸，再进行验证。直到满足要求为止。点击“返回”按钮返回进入“纵向连接系设计界面”如图13所示。
（9）图13为纵向连接系设计界面。点击“确定”按钮，计算出一组纵向连接系尺寸值，再点击“强度验算”按钮，对这一组数值进行验算。如果不符合要求继续点击“确定”按钮，生成新的尺寸，再进行验证。直到满足要求为止。点击“返回”按钮返回“设计主界面”。点击“梁系设计”选项进入“边梁设计界面”如图15所示。
（10）图15为边梁设计界面。点击“确定”按钮，计算出一组边梁尺寸值，再点击“强度验算”按钮，对这一组数值进行验算。如果不符合要求继续点击“确定”按钮，生成新的尺寸，再进行验证。直到满足要求为止。点击“返回”按钮返回“设计主界面”。点击“返回”按钮返回“设计主界面”。点击“行走支承及轨道设计”选项进入“行走支承及轨道设计界面”如图16所示。
（11）图16为行走支承及轨道设计界面。在此界面中，点击“确定”按钮，即可完成闸门所有设计工作。点击“返回”按钮返回“设计主界面”。点击“启闭力计算”选项进入“启闭力计算界面”如图19所示。
（12）图19为闸门启闭力计算界面。数值模拟平面闸门启闭过程中动水垂直力计算结束后，提取各个开度的垂直水动力值存储到公共数据库中。进入启闭力计算界面。点击“导入闸门开启垂直水动力值”和“导入闸门关闭垂直水动力值”平台从数据库中提取相关数据。点击“确定”按钮，闸门各个开度的启闭力以及最大启闭力都将显示在相应的窗口中。在闸门启闭力计算结束后，点击“返回”按钮，便可以退出该界面，并同时进入到平面闸门设计的主界面。
（13）图20为启闭机及吊耳界面。输入“吊耳及启闭机设计和闸门启闭力和吊耳计算”相关参数。点击“确定”按钮，将相关数据输入到数据库中。
在闸门设计计算结束后，点击“绘图”按钮，本设计仿真平台便会调用AutoCAD相关的绘图命令绘制闸门主要部件图形，如图21所示。
各个模块的运算大多依据现有通用设计规范进行，不再赘述，且各模块各自独立工作，但可共用一个公共数据库。
Claims (1)
1.一种平面闸门设计仿真平台，其特征是，包括闸门整体参数、梁格布置、面板设计、梁格设计、主梁设计、隔板设计、横向连结系、边梁设计界面、滚轮及滑块设计以及启门力和吊耳计算10个模块组成：
(1)闸门整体参数界面
设计仿真平台的闸门整体参数界面包括：①输入参数：闸门孔口尺寸类型、面板布置位置、上下游水头高度、底槛高程、闸门型式、孔口宽度、孔口高度、水面至门顶的距离、风浪爬高、钢材型号及钢材弹性模量；②输出参数：设计水头、下游水深、总静水压力、静水压力的作用位置、封口高度和宽度、闸门计算跨度的计算值；
(2)梁格布置界面
梁格布置界面主要分为梁格布置和边梁隔板布置两部分；其中梁格布置部分包括：①输入参数：选择主梁的数目和选择次梁的数目；②输出参数：梁格布置坐标；边梁与隔板布置部分包括：①输入参数：单腹板边梁、双腹板边梁以及隔板数量；②输出参数：边梁腹板到隔板的距离以及隔板之间的间距；
(3)面板设计界面
面板设计界面包括：①输入参数：面板矩形弹性薄板类型；②输出参数：各个区格的长、宽、长宽比、载荷、各个区格的面板厚度以及计算面板厚度；
(4)梁格设计界面
梁格设计界面包括次梁的载荷和次梁界面验算两部分内容，次梁载荷输入参数从公共数据库获得，输出参数包括水平次梁计算载荷最大值、水平次梁最大负弯矩值、水平次梁弯矩最大弯矩值、水平次梁界面抗矩；次梁界面验算包括：①输入参数：次梁钢材型式和次梁钢材型号；②输出参数：截面矩、惯性矩、抗弯刚度、正应力以及挠度；
(5)主梁设计界面
主梁设计界面包括主梁载荷与几何输入输出参数、强度验算以及主梁参数示意图三部分组成，其中主梁载荷与几何输入参数包括：主梁容许挠度；输出参数包括：主梁容许挠度、内力计算、梁高设计、翼缘设计；强度验算包括：主梁最小界面抗矩、主梁惯性矩、截面下半部对中性轴面积矩、主梁最大弯应力以及主梁最大剪应力；
(6)隔板设计界面
隔板设计界面包括：内力计算、横隔板设计以及截面验算三部分组成，内力计算主要进行隔板最大弯矩和支座剪力计算；横隔板设计主要确定上翼缘利用面板宽度、隔板高度、下翼缘宽度以及下翼缘厚度；截面验算包括：截面惯性矩、最小截面抵抗矩、面积矩、最大正应力以及最大剪应力；
(7)横向连接系设计界面
横向连接系设计界面包括闸门自重估算参数、荷载和内力计算以及斜杆截面计算三部分组成，闸门自重估算参数包括：露顶闸门行走支承类型、露顶式闸门的材料系数、孔口高度系数、潜孔闸门的行走支承类型、潜孔闸门工作性质系数、水头修正系数、孔口高度比修正系数和潜孔滑动闸门水头修正系数；荷载和内力计算包括：平面钢闸门自重估算、纵向连接系上下弦的距离和斜杆承受最大压力；斜杆截面计算包括：选用单角钢、长细比、斜杆计算长度和拉杆强度验算；
(8)边梁设计界面
边梁设计界面包括：输入支撑点的位置、边梁强度验算和边梁结构三部分组成，输入支撑点的位置包括：上支撑到门底的距离和下支撑到门底的距离，边梁结构包括：腹板高度、腹板厚度、上翼缘宽度、上翼缘厚度、下翼缘宽度和下翼缘厚度；边梁强度验算包括：上支撑受到压力、下支撑受到压力、边梁最大弯矩、边梁最大剪力、边梁最大轴向力、截面面积、截面惯性矩、截面抵抗矩、截面边缘最大正应力和截面边缘最大剪应力；
(9)滚轮及滑块设计界面
滚轮及滑块设计界面包括：滚轮参数、轨道参数以及轨道截面示意图三部分组成，滚轮参数包括：滚轮半径、轮轴半径、滚轮轮缘宽度、轴套长度、滚动轴承滚柱半径和滚轮数目；轨道参数包括：轨头宽度、轨道高度、轨道底板宽度、轨道底板厚度、颈部厚度和轨头厚度；轨道截面示意图展示了轨道截面的几何参数位置；
(10)闸门启门力计算和吊耳计算界面
闸门启门力计算界面包括：闸门启门力计算表和闸门关闭计算表，闸门启门力计算表包括：闸门开度、行走支承摩阻力、止水摩阻力、闸门自重、动水垂直力、加重重量和启门力；闸门闭门力计算表包括：闸门开度、行走支承摩阻力、止水摩阻力、闸门自重、动水垂直力、加重重量和闭门力。
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2013
- 2013-07-30 CN CN201310325991.6A patent/CN103400002B/zh not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN103400002A (zh) | 2013-11-20 |
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