基于ANSYS的管籠結(jié)構(gòu)抗震分析

賈守亞+肖廣濤

摘 要：運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)管籠參數(shù)化建模，通過(guò)模態(tài)分析確定管籠的固有頻率，根據(jù)設(shè)備的固有頻率的計(jì)算結(jié)果，確定x、y、z三個(gè)方向的地震加速度，通過(guò)計(jì)算確定設(shè)備各部位的受力情況。計(jì)算結(jié)果對(duì)管籠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有實(shí)際意義，明確放映出管籠結(jié)構(gòu)在地震狀況下的結(jié)構(gòu)安全性。

關(guān)鍵詞：ANSYS；抗震分析；管籠結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TH122；TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）27-0160-02

1 概 述

管籠結(jié)構(gòu)是在化工領(lǐng)域廣泛使用的設(shè)備，管籠的種類繁多、形式多樣，但其基本結(jié)構(gòu)是類似的，多由主管道、法蘭、閥門及其支座組成。管籠結(jié)構(gòu)在工程應(yīng)用中必須具有足夠的強(qiáng)度，否則不能保證安全運(yùn)行。在實(shí)際運(yùn)用中，管籠結(jié)構(gòu)主要受到地震載荷的破壞，需要對(duì)其在地震作用下的強(qiáng)度進(jìn)行校核。

本文利用ANSYS對(duì)某工程的管籠參數(shù)化建模，通過(guò)計(jì)算確定設(shè)備各部位的受力情況。Ansys軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。它能與大多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAE工具之一。所以選擇Ansys軟件對(duì)管籠結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，能夠準(zhǔn)確的反應(yīng)管籠機(jī)構(gòu)在地震載荷下各部分的受力狀況。

2 計(jì)算方法

本文以管籠結(jié)構(gòu)為例，首先通過(guò)利用Ansys有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行參數(shù)化建模，其次通過(guò)模態(tài)分析確定設(shè)備的頻率，然后通過(guò)頻率的計(jì)算結(jié)果，確定設(shè)備在x、y、z三個(gè)方向的地震加速度，最后通過(guò)力學(xué)分析對(duì)設(shè)備進(jìn)行抗震計(jì)算[1]。

3 有限元模型的建立

3.1 模型簡(jiǎn)化

實(shí)物分析模型，如圖1所示，簡(jiǎn)化模型，如圖2所示。

本次分析在有限元建模時(shí)對(duì)Pipe Cage設(shè)備三維模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，具體如下：

將主管道內(nèi)的cooling water簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)單元并均布于內(nèi)壁；

將閥門及組件內(nèi)部的冷卻水簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)單元，質(zhì)點(diǎn)位置位于簡(jiǎn)化部分的重心，且作用于對(duì)應(yīng)的法蘭連接位置；

連接螺栓或鉚釘采用具有等徑和材質(zhì)的beam單元簡(jiǎn)化，忽略了影響網(wǎng)格劃分的圓角、倒角、小孔等小特征，焊接簡(jiǎn)化為綁定接觸。將閥門及部分組件簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)單元后，其在結(jié)構(gòu)上的連接關(guān)系使用MPC單元來(lái)模擬[2]；

簡(jiǎn)化后有限元模型總質(zhì)量為5 155 kg。

3.2 網(wǎng)絡(luò)劃分說(shuō)明

本次分析對(duì)框架結(jié)構(gòu)主體主要使用20節(jié)點(diǎn)三維六面體單元solid186進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)管道采用solid285四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，主要體網(wǎng)格尺寸設(shè)置為8～20 mm。共生成159 888個(gè)單元，528 770個(gè)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)格劃分結(jié)果，如圖3所示。

3.3 分析方法

本次譜分析使用SRSS振型組合法疊加，模態(tài)分析約束的位置見(jiàn)圖4所示，地震加速度方向按照系統(tǒng)坐標(biāo)系X、Y、Z三個(gè)方向分別進(jìn)行計(jì)算[3]。

模態(tài)分析約束支點(diǎn)使用的碳素結(jié)構(gòu)鋼螺栓ASTM A36彈性模量為MPa，泊松比為0.26，材料密度為7 850 kg/m3，螺栓的屈服強(qiáng)度為250 MPa，抗拉強(qiáng)度為500 MPa。

3.4 模態(tài)分析

由于管籠結(jié)構(gòu)在地震載荷的作用下，其變形與內(nèi)力均與設(shè)備的自振周期和振型有關(guān)，因此模態(tài)分析是對(duì)管籠結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震計(jì)算的基礎(chǔ)。對(duì)支座上16個(gè)螺栓進(jìn)行全自由度約束，施加載荷并求解，可獲得設(shè)備的固有頻率，地震載荷只考慮模型的一階基本振型與固有頻率的影響，一階振型，如圖5所示，可以看出一階固有頻率為5.7 Hz。

4 計(jì)算結(jié)果

當(dāng)?shù)卣鸱磻?yīng)譜分別沿x、y、z時(shí)，螺栓約束位置支反力統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表1。

4.1 地震反應(yīng)譜沿X軸方向時(shí)

當(dāng)?shù)卣鸱磻?yīng)譜沿X軸方向時(shí)，螺栓約束位置支反力統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表1。

因此當(dāng)?shù)卣鸱磻?yīng)譜沿X軸方向時(shí)螺栓7、14、15、16存在失效的可能。

4.2 地震反應(yīng)譜沿Y軸方向時(shí)

當(dāng)?shù)卣鸱磻?yīng)譜沿X軸方向時(shí)，螺栓約束位置至反力統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表1。根據(jù)公式1對(duì)表1中各螺栓的約束支反力計(jì)算可知，所有螺栓均滿足公式1，因此當(dāng)?shù)卣鸱磻?yīng)譜沿Y軸方向時(shí)，所有螺栓均能滿足抗震要求。

4.3 地震反應(yīng)譜沿Z軸方向時(shí)

當(dāng)?shù)卣鸱磻?yīng)譜沿X軸方向時(shí)，螺栓約束位置至反力統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。根據(jù)公式1對(duì)表1中各螺栓的約束支反力計(jì)算可知，僅螺栓5/9/11/12能滿足公式1，能滿足抗震要求。

因此當(dāng)?shù)卣鸱磻?yīng)譜沿Z軸方向時(shí)，設(shè)備發(fā)生大面積失效。

5 結(jié) 語(yǔ)

當(dāng)?shù)卣鸱磻?yīng)譜沿X軸方向時(shí)，螺栓7、14、15、16存在失效的可能。

當(dāng)?shù)卣鸱磻?yīng)譜沿Y軸方向時(shí)，所有螺栓均能滿足抗震要求。

當(dāng)?shù)卣鸱磻?yīng)譜沿Z軸方向時(shí)，設(shè)備發(fā)生大面積失效。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，該設(shè)備不滿足抗震要求，建議通過(guò)改變?cè)O(shè)備結(jié)構(gòu)，選用高力學(xué)性能的材料來(lái)滿足抗震要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 余偉煒，高炳軍，陳洪軍.ANSYS在機(jī)械與化工裝備中的應(yīng)用2版[M].北 京：中國(guó)水利水電出版社，2007.

[2] 陳淑玲，陳帆，林利芬.基于ANSYS的減速器斜齒-直齒圓柱齒輪的模 態(tài)分析[J].企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)，2012，（31），6-8.

[3] 任輝啟.ANSYS7.0工程分析實(shí)例講解[M].北京：人民郵電出版社， 2003.