干式氣柜結(jié)構(gòu)的有限元分析

卓高柱 王浩先 張海明 李 文

（濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)有限公司）

渠 偉

（山東天浩工程設(shè)計(jì)有限公司）

0 前言

隨著冶煉行業(yè)的發(fā)展，氣柜在我國(guó)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，同時(shí)氣柜的設(shè)計(jì)水平也逐步趨于成熟。有限元分析是目前最準(zhǔn)確、水平最高的一種仿真計(jì)算方法。由于氣柜體積龐大，桿件眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要想迅速地建立計(jì)算分析模型進(jìn)行不同工況的計(jì)算分析，就一定要掌握靈活的建模和計(jì)算簡(jiǎn)化方法。本文重點(diǎn)研究如何利用ANSYS有限元分析軟件靈活快捷地對(duì)大型氣柜整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，達(dá)到計(jì)算簡(jiǎn)化、科學(xué)合理、數(shù)值模擬接近實(shí)際和節(jié)約成本、提高效率的目的。

1 氣柜結(jié)構(gòu)概述

本文以某設(shè)計(jì)單位20 000 m3干式柔性橡膠布簾式密封氣柜為研究對(duì)象。有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如下：氣柜主體高度為28.5 m，拱頂高度3.2 m，筒體直徑34.4 m，氣柜壁板厚度6 mm；設(shè)計(jì)壓力為4000 Pa； 材料為 Q235，密度 7850 kg/m3， 彈性模量206×109Pa，泊松比0.3；當(dāng)?shù)鼗撅L(fēng)壓0.5 kN/m2；地震設(shè)防烈度為7度，地震加速度為0.1g，Ⅱ類場(chǎng)地，地震分組為第一組，設(shè)計(jì)特征周期0.35 s；基本雪壓0.4 kN/m2。

該氣柜結(jié)構(gòu)是一個(gè)由梁柱等桿件及鋼板組成的封閉的圓柱形筒體，筒體圓周均勻分布著18根立柱，立柱截面形式采用H型鋼，立柱柱腳采用地腳螺栓固定在基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)為混凝土澆注。立柱和筒體環(huán)向梁采用焊接結(jié)構(gòu)，環(huán)梁采用角鋼截面，環(huán)梁和壁板之間采用滿焊焊接。筒體上分布有3個(gè)環(huán)形走道。氣柜的頂部為圓球殼結(jié)構(gòu)，由輻射狀徑向梁、環(huán)向梁、頂部通風(fēng)帽、柜頂鋼板和柜頂環(huán)形走道板組成。徑向梁的向心端與中央環(huán)梁連接，外端與氣柜的立柱連接，圓形風(fēng)帽支撐于柜頂中央環(huán)梁上。柜頂板采用鋼板滿鋪，下面設(shè)徑向加勁肋、環(huán)向加勁肋，構(gòu)成剛度很大的空間薄殼結(jié)構(gòu)體系。

2 氣柜主體結(jié)構(gòu)計(jì)算方法

由于氣柜結(jié)構(gòu)的特殊性，在進(jìn)行整體強(qiáng)度計(jì)算時(shí)不僅要考慮梁、柱所組成的主體框架的主要承載，還要考慮壁板對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)體的剛度和強(qiáng)度的影響。因此，氣柜可以看作是由梁柱等桿件和壁板等板殼組成的一個(gè)綜合結(jié)構(gòu)體，計(jì)算時(shí)既要引進(jìn)梁?jiǎn)卧惨M(jìn)殼單元，只有這樣才能真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況。環(huán)形走道可視為剛性平臺(tái)，對(duì)立柱及整個(gè)氣柜的整體穩(wěn)定起著至關(guān)重要的作用，主要承受由風(fēng)或地震引起的水平載荷。壁板除了起密封和承受內(nèi)壓的作用外，還起到了結(jié)構(gòu)斜拉撐的作用，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的牢固性，在進(jìn)行柜體的整體強(qiáng)度計(jì)算時(shí)不可忽略。由于氣柜結(jié)構(gòu)的特殊性和復(fù)雜性，本文采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)氣柜整體進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，選用BEAM 188梁?jiǎn)卧蚐HELL 63殼單元、MASS 21質(zhì)量單元，采用界面操作和編寫APDL語(yǔ)言程序相結(jié)合的方法進(jìn)行建模、加載和計(jì)算。整個(gè)項(xiàng)目的計(jì)算設(shè)計(jì)主要包括以下步驟：工程項(xiàng)目的了解、結(jié)構(gòu)載荷計(jì)算、計(jì)算工況確定、有限元計(jì)算分析和計(jì)算結(jié)果的評(píng)定。

2.1 荷載計(jì)算

（1）結(jié)構(gòu)載荷

氣柜的結(jié)構(gòu)載荷主要包括氣柜主體結(jié)構(gòu)自重、調(diào)平裝置及配重塊重量、內(nèi)壓力、T圍欄重量及活塞裝置重量，平臺(tái)活荷載為2500 N/m2。

（2）風(fēng)載荷[1]

風(fēng)載荷按照GB 50009—2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》等進(jìn)行計(jì)算。風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中Wk——風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；

βz—z高度處的風(fēng)振系數(shù)；

μs——風(fēng)載荷體型系數(shù)；

μz——風(fēng)壓高度變化系數(shù)；

W0——基本風(fēng)壓。

（3）地震載荷[2]

地震載荷按照GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》等來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

式中T——結(jié)構(gòu)自振周期，s；

TG——結(jié)構(gòu)的特征周期；

a——水平地震影響系數(shù)；

amax——水平地震影響系數(shù)最大值；

FEk——結(jié)構(gòu)總水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值；

Geq——結(jié)構(gòu)重力載荷代表值。

（4） 雪載荷

雪載荷按照GB 50009—2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》等進(jìn)行計(jì)算。雪載荷標(biāo)準(zhǔn)值按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中Sk——雪載荷標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；

μr——屋面積雪分布系數(shù)；

S0——基本雪壓，kN/m2。

2.2 計(jì)算工況的確定

本項(xiàng)目的計(jì)算共分四種工況[3]： （1）靜載荷工況 （主體結(jié)構(gòu)自重+雪載荷+調(diào)平裝置+配重塊），該工況主要校核各構(gòu)件在靜載工況下的受力及變形情況，同時(shí)提取靜載工況下的地基基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；（2）靜載荷+地震載荷 (包括活塞系列裝置在地震時(shí)產(chǎn)生的水平力)+0.25倍風(fēng)載荷組合工況，該工況主要校核結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力及變形情況，同時(shí)提取地震工況的地基基礎(chǔ)數(shù)據(jù)； （3）靜載荷+風(fēng)載荷組合工況，該工況主要校核結(jié)構(gòu)在風(fēng)載下的受力及變形情況，同時(shí)提取風(fēng)載工況下的地基基礎(chǔ)數(shù)據(jù)； （4）靜載荷+內(nèi)壓+風(fēng)產(chǎn)生的吸力組合工況，該工況主要校核壁板及環(huán)梁的受力情況。

2.3 有限元計(jì)算分析

本工程計(jì)算采用國(guó)際通用軟件ANSYS[4]來(lái)完成，選用BEAM 188梁?jiǎn)卧蚐HELL 63殼單元分別模擬結(jié)構(gòu)中的梁柱和壁板，選用MASS 21質(zhì)量單元模擬活塞裝置等。BEAM 188梁?jiǎn)卧且环N可用于承受拉、壓、彎、扭的單軸受力單元。該單元的每個(gè)節(jié)點(diǎn)有六個(gè)節(jié)點(diǎn)自由度，即沿x、y、z軸三個(gè)方向的平動(dòng)自由度和繞x、y、z軸三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。由于單元的結(jié)點(diǎn)自由度數(shù)目相同，因此BEAM 188梁?jiǎn)卧cSHELL 63平板殼單元可以共用結(jié)點(diǎn)，以保證梁和殼體相交處有共同的變形。BEAM 188可以準(zhǔn)確地模擬梁柱等桿件的形狀和偏心位置等特性，這樣就可以準(zhǔn)確地模擬結(jié)構(gòu)的整體失穩(wěn)和圓柱殼、頂殼局部失穩(wěn)的真實(shí)情況。采用MASS 21質(zhì)量單元來(lái)模擬活塞裝置，可以計(jì)算地震工況下活塞對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響。

（1）計(jì)算模型的建立

由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，按照界面操作或編寫APDL命令流程序都比較繁瑣，容易出錯(cuò)，效率不高，而采用界面操作和命令流相結(jié)合的方法則可靈活建模，易修改，效率高。為了便于桿件的選取操作，可以將桿件分為立柱、筒體環(huán)梁、筒體縱梁、拱頂環(huán)梁、拱頂縱梁和走道梁等，每種類型桿件以不同的材料屬性編號(hào)，這樣在選取桿件時(shí)就可以按照材料編號(hào)進(jìn)行快捷選取，并進(jìn)行其它的操作。建模采取先由點(diǎn)到線，對(duì)線賦予桿件屬性，包括截面形式、截面參考點(diǎn)等，然后采取由線旋轉(zhuǎn)成面的方法，對(duì)新產(chǎn)生的線進(jìn)行選取顯示，賦予屬性，這樣有計(jì)劃有步驟地對(duì)所有桿件的屬性進(jìn)行設(shè)置，每一步確定正確后提取LOG文件，提煉出有用的命令流，編輯保存下來(lái)，需要重新做時(shí)就可以用命令流迅速地恢復(fù)模型。由于桿件的截面形式不同，放置方向也不一樣，因此在截面分配時(shí)參考點(diǎn)要按分類逐一設(shè)置，完成后還要檢查設(shè)置是否正確。在整個(gè)建模過(guò)程中要靈活運(yùn)用坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，進(jìn)行柱坐標(biāo)系下拷貝以及對(duì)重合關(guān)鍵點(diǎn)或元素進(jìn)行合并操作。對(duì)不規(guī)則的結(jié)構(gòu)集中進(jìn)行處理。按照以上的建模方法進(jìn)行建模思路清晰，可以達(dá)到事半功倍的效果。

模型完成后對(duì)18根立柱的柱腳和底層壁板下邊緣進(jìn)行固定約束，然后施加不同工況下的載荷就可以完成計(jì)算。在進(jìn)行抗震計(jì)算時(shí)，還需要考慮活塞裝置對(duì)氣柜主體結(jié)構(gòu)的影響。因此，將活塞裝置簡(jiǎn)化為剛性質(zhì)點(diǎn)，采用MASS 21單元。又因其重量靠氣壓來(lái)平衡，主體結(jié)構(gòu)不承受活塞重量，所以要對(duì)其質(zhì)量屬性設(shè)置為0，把剛性質(zhì)點(diǎn)和立柱上的活塞軌道點(diǎn)連接設(shè)置為剛性區(qū)域，用于傳遞活塞裝置地震時(shí)產(chǎn)生的水平力。氣柜主體結(jié)構(gòu)模型如圖1、圖2所示，靜載工況分析模型如圖3所示。

（2）計(jì)算結(jié)果的提取

這里僅給出了靜載工況下的計(jì)算結(jié)果，如圖4、圖5、圖6所示。

（3） 結(jié)果評(píng)定

由圖4、圖5可知，靜載工況下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值為57.2 MPa，最大應(yīng)力的位置為拱頂縱梁和立柱連接區(qū)域。由圖6可知，結(jié)構(gòu)的最大變形在拱頂風(fēng)帽區(qū)域，最大下沉量為9.387 mm。

圖1 氣柜主體結(jié)構(gòu)模型

圖2 氣柜拱頂與立柱連接處桿件局部放大圖

圖3 靜載計(jì)算模型

圖4 氣柜主體結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力分布云圖

圖5 氣柜桿件最大應(yīng)力分布

圖6 氣柜主體結(jié)構(gòu)變形分布云圖

3 結(jié)論

本文主要研究了大型干式氣柜的有限元分析方法，詳細(xì)闡述了該項(xiàng)目的整個(gè)計(jì)算過(guò)程和步驟，包括復(fù)雜結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化建模、分析單元類型的選用以及確定邊界條件、載荷和計(jì)算工況等。通過(guò)本文提出的氣柜有限元計(jì)算方法，可以快速地處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建模，減少錯(cuò)誤，提高效率。本文的方法對(duì)從事大型氣柜強(qiáng)度計(jì)算分析的人員具有重要的參考借鑒價(jià)值。

[1] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范 [S] .北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2006.

[2] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范 [S] .北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010.

[3] 王松漢.石油化工設(shè)計(jì)手冊(cè) (第三卷)：化工單元過(guò)程[M] .北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2001.

[4] 祝效華，余志祥，等.ANSYS高級(jí)工程有限元分析范例精選 [M] .北京：電子工業(yè)出版社,2004.