（化工过程机械专业论文）基于有限元分析的大型塔内件桁架支承结构优化设计.pdf

中文摘要 本文运用a n s y s 对大型塔内构件桁架式支承结构进行有限元分析，在此基础 运用a n s y s 的优化设计功能对桁架梁进行结构优化，具体的研究主要从以下几个 方面进行。 分析综述了大型填料塔的几种常见内构件支承结构特点，针对该大型减压填 料塔内件的桁架支承结构，结合相关的钢结构设计专著给出了平行弦桁架结构的 结构设计以及强度和稳定性的校核方法。 通过分析该大型减压填料塔内件支承桁架梁的结构特点，按结构功能将该塔 内件支承的所有桁架梁简化为i 、i i 两种计算模型，其中型梁是将桁架嵌入集 油槽内的复合式桁架支承梁。分别运用有限元计算和结构力学解析计算的方法对 洗涤段c 支承梁的应力进行计算，有限元计算结果与解析计算结果相符合。以洗 涤段a 支承梁和c 支承梁为例，分别对两种类型的桁架梁进行有限元计算，得 出等效应力和垂直方向的位移云图，并对大型塔支承桁架梁的强度条件和刚度条 件进行校核。 以桁架梁构件的尺寸参数以及构件腹杆截面参数作为优化变量，强度和刚度 条件作为约束条件，构件的重量作为目标函数，对有限元分析文件进行修改生成 优化文件，并运用a n s y s 的优化设计功能分别对两种类型的桁架梁进行结构优 化。最后，i i 型梁以桁架的高度为主要优化目标函数，i 型梁以桁架的重量为主 要优化目标函数，考虑到备料与制造方便，对两种类型支承梁的优化结果进行工 程圆整，从而得到了优化的塔内件桁架支承梁设计方案。 关键词：大型塔桁架梁有限元分析优化设计 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , f m i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h et r u s s e ds u p p o r t i n gs 廿1 1 c t l i r eu s e dm l a r g e - s e a l et o w e rw a sp e r f o r m e da tf i r s t t h e n , t h eo p t i m i z a t o nf u n c t i o no fa n s y s w a sa p p l i e dt oo b t a i nt h eo p t i m u ms 仃u c t u r eo f t h et r u s s e ds u p p o r t t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h r e et y p e so fs u p p o r t i n gs n u c n l r ew a si n t r o d u c e da n d c o m p a r e d a n dt r u s s e ds u p p o r t i n gs t n l c n l r ew a se m p l o y e di nt h i sl a r g e s c a l ev a c u u m t o w e r b e s i d e s t h es l n l c 饥l r ed e s i g no fp a r a l l e l 。c h o r d e dt r u s sa n d t h ec h e c k i n gm e t h o d o fs t r e n g t ha n ds t a b i l i t yw e r ei n t r o d e c e dc o n s u l t i n gs t e e ls t r u c t u r ed e s i g nm a n u a l t h et r u s s e db e a m s ，u s e da sp a c k i n gs u p p o r ti nt h el a r g e - s c a l ev a c u u mt o w e r , w e r eg r o u p e di n t ot y p e ia n dt y p e - i ia c c o r d i n gt o t h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c t h e t y p e 1 1 w a sc o m b i n e dt y p e s u p p o r t i n gb e a m ，t h e t r u s so fw h i c hw a ss e ti n o i l - c o l l e c t i n gc h a r u l e i t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t so f t h es t r e s s ，o b t a i n e db yf i n i t ee l e m e n t m e t h o da 1 1 dt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o d ，w e r ec o i n c i d e n t t a k i n gb e a m 。aa n d b e a m cs u p p o r to fw a s h i n gs e c t i o na se x a m p l e ，f i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n f o rt h e s et w od i f f e r e n tt y p e st r u s s e db e a mw a sp e r f o r m e d ，a n dt h en e p h o g r a mo fy o n m i s e ss t r e s sa n dv e r t i c a ld i s p l a c e m e n tw e r eg a i n e d a l lo fm et r u s s e db e a m si nt h e l a r g e s c a l et o w e rs a t i s f i e dt h er e q u i r e m e n to f b o t hs t r e n g t ha n ds t i f f n e s s t h ed a r 锄e t e r so ft r u s sc o n f i g u r a t i o na n dc r o s s s e c t i o nd i m e n s i o n sw e r ed e f m e d a so p t i m i z a t i o nv a r i a b l e s t h es t r e n g t ha n ds t i f f n e s sc o n d i t i o n s w e r ed e f i n e da s c o n s t r a 证l tc o n d i t i o na n dt h ev o l u m eo ft h em o d e lw a sd e f m e da so b j e c t i v ef u n c t i o n t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sf i l e sw e r em o d i f i e dt oc r e a t eo p t i m i z a t i o nf i l e ，a n dt h e n s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o nf o rt h e s et w ot y p e so ft r u s s e db e a mw a sp e r f o r m e dm a k i n g u s e o ft h eo p t i m i z a t i o nf u n c t i o no fa n s y s f i n a l l y , i no r d e rt op r e p a r em a t e r i a l a n d m a n u f a c t u r ec o n v e n i e n t l y , t h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t sw e r er o u n d e dn u m b e r s ，t a k i n g t h e h e i g h ta n dw e i g h to f t h et r u s sa st o p p r i o r i t yf a c t o r sf o rt y p e ia n dt y p e - i is u p p o r t i n g b e a m ，r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：l a r g e s c a l et o w e r , t r u s s e db e a m , f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ， o p t i m i z a t i o nd e s i g n 主要符号说明 主要符号说明 桁架节点间距，m ；i 上弦杆角钢折边高度，m ；l 面集度载荷，p a ； 尸 线集度载荷，n m ；w 上弦杆角钢厚度，m ； 口 腹杆角钢厚度，m ；4 支承板的厚度，m ； 翻 上弦杆角钢折边宽度，m ；o - , 腹杆等边角钢折边宽度，m ； 盯】 桁架的支承面积，m 2 ； 弹性模量，g p a v o l u i 型桁架梁高度，m ； i i 型桁架梁高度，m ； 截面惯性距，m 4 ； 桁架式支承梁跨度，r l l ； 集中载荷，n ； 桁架的载重，k n ； 桁架腹杆倾角，。； y 方向位移，m m ； 最大允许变形量，n 瑚； 等效应力，m p a ； 许用应力，m p a ； 泊松比，无量纲； 计算模型的体积，m 3口啊吼吼乞岛心么e q 也 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞鲞盘茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：禹志托 签字日期：乙n8 年6 月6e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 岛i 言虎 签字日期：切d 3 年6 月6 日 聊签名： 签字日期：埘年6 月 第一章文献综述 1 1 概述 第一章文献综述 随着国家对石油化工行业在节能和环保领域提出越来越高的要求以及企业 效益的最大化，装置大型化已成为石油化工行业的一个发展趋势。近年来，我国 自行设计的塔径为8 4 m 、9 0 m 、1 0 o m 的大型规整填料塔，大型散装填料塔，大 型塔盘及复合式大型塔器相继投产，这标志着我国大型塔器技术进入了国产化、 现代化的新阶段。大型塔器技术是一套综合技术，是多学科之集成，也是工程经 验之结晶。通过设备的强化，创造气液最佳的流动状态，以使气液传质、传热达 到最佳效果，这是大型塔器硬件设计的指导思想之一【l j 。 塔设备是化工、炼油生产中最重要的设备之一。它可使气( 或汽) 液或液液 两相之间进行紧密接触，达到相际传质及传热的目的。可在塔设备中完成的常见 的单元操作有：精馏、吸收、解吸和萃取等。此外，工业气体的冷却与回收、气 体的湿法净制和干燥，以及兼有气液两相传质和传热目的的增湿和减湿等。 按塔内构件的结构进行分类，塔设备可分为板式塔和填料塔两大类，还有几 种装有机械运动构件的塔。本文只针对填料塔和板式塔的内构件支承结构进行研 究、设计和优化。 在填料塔中，塔内装填一定高度的填料层，液体沿填料表面呈膜状向下流动， 作为连续相的气体自下而上流动，与液体逆流传质。填料支承装置对保证填料塔 的操作性能具有重大作用。纵使填料本身的通过能力很大，如果支承装置设计不 当，液泛仍将提前到来，使塔的生产能力降低。因此设计合理的支承结构是非常 重要的。 在板式塔中，塔内装有一定数量的塔板，气体以鼓泡或喷射的形式穿过塔盘 上的液层，使两相紧密接触从而达到传热和传质的目的。塔板由在支承梁支承， 在载荷作用下弦杆会变形，塔板也会变形，塔盘在操作时的总的挠度是二者的迭 加。如果操作过程中塔板产生过大的挠度，势必造成塔盘上不同位置液层高度相 差悬殊，从而导致“偏流”或者“倾流 ，这将严重降低塔板的传质效率，对生 产极为不利。为了保证塔板有较高的传质效率，必须有一套合理可靠的支承结构。 然而，什么样的支承结构才是合理的呢? 下文有述。 第一章文献综述 1 2 大型塔内构件的研究现状 1 2 1 大型塔内构件 对于大型板式塔，超大型四溢流塔板、穿流塔板、折流板的优化设计已成为 超大型塔设备设计水平的重要标志。不少学者从不同的角度展开了对塔内构件的 研究，力争解决塔设备大型化后可能出现的一些问题。改进了塔板结构，改善了 塔板上的液流状态，从而有利于塔板上气液间的传质；采用新型塔板搭接结构， 消除了搭接处的传质死角；对支承结构做了力学分析，采用新型联结结构，降低 了受液槽的厚度【2 j 。 对于大型填料塔，采用新型高效的规整填料，如双向曲波填料、天久栅格填 料、金属丝网填料等，很好地解决了塔设备的大型化所带来“放大效应”问题。 然而大型填料塔在任一横截面上保持气液均匀分布的难度要比小直径大得多，而 填料高效率得突出优点能否充分发挥，取决于填料中液体分布均匀程度【3 】。因此， 有不少学者对液体分布器设计及应用做了相关的学术研究m 】，也有学者【7 】对气 液分布器的优化设计规律做了一些研究工作，力图得到比较理想的液体分布结 构，从而使液体的初始分布最优化。新型槽盘式气液分布器、三维复合导流式进 气初始分布器在大型填料塔中的应用，可以很好地解决大型塔内气液初始分布不 均匀的问题。 对于大型填料塔而言，进料分布重量是影响填料性能的另一个重要因素。因 此，关于新型进料分布器的研究【3 】也成为学者们研究的热点，赵汝文 8 】对大型散 装填料塔、大型规整填料塔以及大型板式塔设置进气初始分布器及二次气体分布 盘的必要性进行了详尽的论述，并对大型塔进气初始分布器及二次气体分布盘进 行了优化设计。 可见，大型塔内构件在技术上日臻成熟，逐步适应了塔设备大型化对内件的 各种要求。 1 2 2 大型塔内构件支承结构 对于大直径塔，由于液体分布器、填料等内件的跨度和重量较大，支承粱会 产生较大的挠度。填料支承装置对保证填料塔的操作性能具有重大作用，纵然使 填料本身的通过能力很强，如果支承装置设计不当，液泛仍将提前到来，使塔的 生产能力降低，因此，合理设计填料支承结构是十分重要的。 在大直径、低床层的填料塔中可以采用特殊的云梯型托槽式埋藏梁 3 】。该埋 藏梁由栅板组焊成一块块格栅，在塔内用螺栓将格栅连接组装。该梁拆装方便、 第一章文献综述 刚度大、容易调试水平；另外，该梁结构巧妙，在埋藏梁的矩形格中镶嵌填料， 这样既保证了大直径、低床层的填料塔对分布器的液体分布均匀的要求，同时又 减少了支承梁的高度，充分利用了塔的高度空间，该支承梁的结构如图1 1 所示。 1 2 3 1 、规整填料2 、格栅3 、散装填料4 、螺栓 图1 1 云梯型托槽式埋藏梁简图 f i g 1 1c h a r to fs c a l i n g - l a d d e r e db r a c i n g t r o u g h e db e d d i n gb e a m 有些减压蒸馏塔的填料支承梁采用拱型支座梁，与常规设计的梁结构不同， 它采用大支座小钢梁的设计指导思想，两端与塔壁连接处，采用悬臂梁支座。采 用该悬臂梁支座应该考虑到与塔壁连接处产生较大的剪应力此问题可以通过增 加立筋及垫板予以解决。而中间h 型钢的受力情况得到了大大地改善，由于两端 采用了较长的悬臂梁支座，不仅大大缩短了h 型钢梁的长度，还使其受力情况得 到了很大改善。 大型板式塔塔盘的支承主梁可以采用实腹式结构【9 j ，这种结构通常是由不锈 钢板焊接成双腹板结构。双腹板焊接主梁能够减小焊接变形、保证主梁的直线度、 增强主梁抗水平方向动载荷的刚度和主梁的整体稳定性，同时还可以有效地降低 塔体高度。 对于某些承受载荷较重的大跨度支承结构，实腹梁以及带支承牛腿的型钢梁 已经满足不了工艺要求。根据操作过程对大型塔设备的内构件的支承结构的要 第一章文献综述 求，工字型钢不得不让位于桁架结构。在关于塔设备设计的专著【lo j 中简要提到了 大型板式塔塔盘支承采用桁架结构，相关文献【l l 】给出了大型塔内构件桁架支承结 构的设计以及强度和稳定性校核方法。 塔内径大于7 0 0 0 m m 时，塔内构件的支承一般采用桁架式结构。镇海炼化公 司8 0 0 0 k t a 的蒸馏装置，其中的减压塔由瑞士苏尔寿公司设计，直径为1 0 0 0 0 m m 及8 0 0 0 m m 段的填料支承件均采用桁架结构，桁架高度8 0 0 m m ，占用较大的塔高 空间，安装拆卸不方便。而且，气体流过时容易造成气流回旋、冲击，影响填料 性能的发挥【3 】。 国内关于塔设备硬件设计及优化的研究，远远落后于工艺及控制【7 】。因此， 全面提高塔设备硬件技术水平是塔器工作者刻不容缓的任务。 全面提高塔设备硬件技术水平，就不能只立足于塔盘、填料、液体分布器等 核心塔内构件的研究，塔内件支承结构等附属构件也不能落后，这样才能充分发 挥新型先进传质元件的优势。 然而，绝大多数塔器研究者对大型塔内构件的支承结构的研究工作主要集中 在对传质机理的研究，关于塔设备硬件的研究相对较少。而塔内件支承结构的设 计还是采用传统的设计方法，针对某种支承结构优化设计的研究少之又少，况且 现有的塔设备设计手册和相关专著中涉及到大型塔内构件支承结构的内容为数 不多。因此，有必要把大型塔内构件的支承结构作为课题做专门研究。 1 3 桁架支承结构在大型塔中的应用 1 3 1 桁架式填料支承 桁架支承结构可将每一根桁架梁都近似地视为二力杆件进行受力分析，其受 力情况最好，对介质的流动影响很小，而且结构灵活，重量较轻，拆装方便，被 广泛应用于建筑、桥梁等钢结构设施中，且桁架跨度可达到几十米，有大量的实 际使用经验。虽然在国内的设计中桁架结构较少用于塔内件支承，但基于该结构 的上述优点，大型填料塔的大直径段以及塔体变径段中的集油箱和填料均采用了 桁架支承结构【j 。 1 大型填料塔中用作填料支承的桁架结构形式，如图1 - 2 所示。 2 填料支承结构的载荷 填料支承结构所承受的载荷来自于：液体分布器、填料及其载液、支 承圈的重量，集油箱的上下沟槽及其载液的重量，以及支承结构自身的重量。 第一章文献综述 主粱两端陶定在支承牛腿上 1 、进料管2 、液体再分布器3 、填料4 、支承主梁5 、集油槽6 、集油盘 图1 - 2 大型填料塔的填料支承结构 f i g 1 - 2t h ep a c k i n gs u p p o r ts t r u c t u r eo fl a r g e - s c a l e dp a c k e dt o w e r 1 3 2 桁架式塔盘支承 直径较小的板式塔( 7 0 0 m m ) ，塔盘只能用整块式的，塔盘之间的支承结 构有重叠式和定距管式两种；对于直径较大的板式塔( 8 0 0 m m ) ，宜将塔盘分 块，所采用的支承结构考虑的因素相对较多。在大型塔中，由于塔盘的载荷和尺 寸相对较大，为了保证操作过程中塔盘所产生的挠度在允许范围内，需采用塔盘 支承梁。 塔盘及其支承结构要同时满足两个要求：1 ) 在操作条件下，能满足应力和 挠度的要求；2 ) 在安装条件下，能满足应力的要求。在荷载作用下，塔盘会变 形，支承梁也会变形，而塔盘又由梁来支承，总的变形应该是二者的迭加。因此， 选择一种具有足够刚度和强度的支承结构对于减小塔盘的挠度和改善塔盘上的 液体分布状况是非常必要的。 第一章文献综述 1 - 桁架式塔盘支承结构形式 大型塔塔盘所采用支承结构主要有两种形式：工字型钢梁和桁架支承结构， 其结构形式如图2 7 所示。桁架结构杆件的安排应当保证操作人员能够方便地通 过，所配置次梁的最大高度可以通过手册【1 0 】查得。 2 塔盘支承结构的载荷 塔盘支承梁的设计载荷，主要包括以下几项： 1 ) 正常操作时塔盘上液体的重量，以及安装检修时再考虑进入塔内的检 修人员的重量。 2 ) 塔盘板及所属构件重量，检修时还须考虑堆积物的重量。 3 ) 支承梁自身的重量。 关于塔盘均布载荷取值，设计时可以参考塔设备设计手册 1 0 1 。 3 塔盘支承梁的允许挠度和设计应力【l o 】 若单纯考虑提高塔盘效率，希望挠度越小越好，但允许挠度过小将会加厚塔 盘板和支承梁的截面尺寸，耗费过多的材料，并增加安装难度。因此，塔盘构件 的允许挠度，应根据工艺及结构的具体情况来确定。 1 ) 塔盘板的允许挠度 塔盘板的允许挠度尚无统一规定，况且不同类型的塔盘，对液层高度不均匀 性的敏感程度也是不同的。国外对塔盘板允许挠度，有的规定为塔径的1 9 0 0 ， 有的按塔盘类型选取，具体的技术参数可以参考手册 1 0 1 。 2 ) 在操作条件下弦杆的允许挠度 关于操作条件下支承梁的允许挠度，也没有统一的规定。燕山设计院编写的 化工设备设计统一规定中指出：梁在相应温度及相应均布载荷下的挠度，应 不大于跨度的1 1 0 0 0 ，且小于5 m m 。北京石油设计院标准塔盘设计技术规定 中指出：梁的允许挠度与塔盘型式有关，具体数据参见手册【l 们。 3 ) 构件的许用应力 操作时的许用应力，根据不同温度，按照钢制石油化工压力容器设计规定 选用：安装、检修时的许用应力，按照( ( t j l 7 7 4 钢结构设计规范的表3 选用。 按照上述规范选取的许用应力值，用于塔盘设计是偏低的。国外相关资料所 介绍的许用应力为：操作时用材料在设计温度下屈服点的6 5 ；安装、检修时用 材料在常温下屈服点的9 5 。 第一章文献综述 1 、塔盘2 、降液板3 、型钢梁4 、次梁5 、桁架支承梁 图1 3 大型塔塔盘的支承结构 f i g 1 - 3t h et r a ys u p p o r ts t r u c t u r eo fl a r g e s c a l e dp l a t et o w e r 1 4 结构优化设计的进展 采用传统的设计方法，由于受到某些条件的限制，所设计的结构往往具有太 大的安全系数，致使浪费过多的材料，同时也增加了基建费用。随着社会技术水 平的提高，传统的社会方法已经不能满足节约型社会的需要。 在实际工程中，或者推崇重量最小化，或者推崇费用最低化，或者推崇体积 最小化，等等。通过优化设计可以满足上述要求，因此被工程界普遍采用。随着 电子计算机的高速发展，以及数学规划、有限元素法与边界元素法等分析方法的 不断进步，结构优化设计得到了迅速发展，在航空、航天、机械、土木与水利等 工程领域，得到了日益广泛的重视与应用，并已取得显著的经济与技术效益【1 2 】。 巳口 第一章文献综述 1 4 1 结构优化的工程实例 国内外优化设计的工程实例有：宁朝阳和周华祥【13 】基于开发主梁的设计软件 d e l p h i7 0 对桥式起重机箱形主梁结构的优化设计；常远和甄万才【1 4 j 基于有限元 分析，借助有限元分析软件p r o m c h a n i c a 对底座结构进行了优化设计；杨晓 红和张邦成等人【l5 1 基于有限元分析方法对油田修井机井架进行了力学分析与优 化设计；曹元军，周志成等人【16 】采用有限元法对交通标志结构进行优化；l u c i a f e m z i n d e zm a r t i n e z 和a n t o n i og u t i 6 r r e zl a v i n 等人【l7 j 对旋涡探测器在水力旋流器 中的安装高度对流场的影响进行了研究，并通过优化设计得出了旋涡探测器在水 力旋流器中的最佳安装位置；k j ：i r m a i 和j a s n y m a n 等人【1 8 】以造价最小为优化 目标对海上固定式平台桁架结构中垂直焊接的柱形加强壳进行优化设计；s i m o n i l i h 和m i r o s l a vp r e m r o v 等人【l9 】在考虑节点弹性的情况下对木料平面桁架结构进 行优化设计；j f a r k a s 和k j f i r m a i 2 0 】针对输油管道的管状桁架支承的强化问题进 行最优化设计，从而大大减少了工程造价；l i u i sg i l 和a n t o n ia n d r e u 2 1 在应力和 几何约束的条件下对桁架的外形以及截面进行优化设计；wh t o n g 和gr l i u t e 2 j 在离散设计变量和动态约束的条件下，进行桁架结构优化程序的设计。 1 4 2 基于a n s y s 的优化设计 随着有限元分析软件a n s y s 的推广，也有许多学者运用a n s y s 进行力学分 析和结构优化。宋春明和赵宁等人【2 3 】运用a n s y s 的优化设计功能，以提高铣削 用机床电机主轴的刚度为优化目标，对主轴的支承跨距和电机转子安装位置进行 了优化计算；李炳宏和李别2 4 】介绍了在a n s y s 中实现结构优化设计的全过程， 并按照结构重量最轻原则对平面桁架结构进行了优化设计。 通用有限元软件a n s y s 以其强大的分析功能、友好的人机交互界面以及可 开发性，在国内外工程建设和科学研究中得到了广泛的应用。然而，由于没有内 置结构设计规范和常用的构件规格，得出的分析结果一般不能有效地直接用于结 构设计，更不能根据规范进行优化设计。 常规的做法是由优化计算结果选取适当的构件，然后再运用a n s y s 进行核 算，一般需要进行多次的反复过程才能得到令人满意的结果，造成了时间和资源 的浪费，因此迫切需要对其进行二次开发解决这个问题。刑海东和徐国彬等人【2 5 】 将设计规范和常用的杆件类型通过a p d l 二次开发技术内嵌入a n s y s 中，并在其 中进行优化分析计算，实现了在a n s y s 中一次性完成网架结构的分析与优化设 计工作。 第一章文献综述 1 4 3 最优化方法工程应用的研究 在科学技术达到空前发展程度的今天，工程优化方法不仅在工程技术的各个 领域得到了广泛的应用，而且其理论和方法也得到了心的发展，使这一理论的基 本思想有了许多扩展，如借鉴生物进化的思想产生的进化算法，为解决全局最优 解问题而产生的信赖域法，利用熵的概念而产生了极大熵方法，等等【2 6 1 。 r s e d a g h a t i 和e e s m a i l z a d e h 27 】结合二次规划和力学方法，对桁架结构施加 应力和位移约束进行优化设计；c j i a n g ，x h a n 和e j g u a n 等人【2 8 】使用一种基于 非线性区间数字规划区间分析的优化方法解决不确定的结构问题；fn a v a r r i n a 和1 m u i f i o s 等人1 2 9 】以重量最小为目标函数，采用应力约束对结构的拓扑优化进行 探讨，c j s h i h 和h w l e e 3 0 】采用改进后的双向逼近方法对2 5 杆和7 2 杆桁架进 行模糊优化；y a o w e ny a n g 和c h e ek i o n gs o h 3 1 采用遗传算法对钢结构实现自动 优化的程序设计进行探讨；o g u z h a nh a s a n q e b i 和f u a te r b a t u r 【3 2 】采用模拟退火 运算法则对桁架结构进行优化设计；a t a s h a k o r i 和h a d e l i 3 3 】采用神经系统动力 学模型对空间钢结构中的冷轧型钢的优化问题进行探讨；m h r a s m u s s e n 和m s t o l p e 3 4 采用分支裁剪法很好地解决了不连续桁架拓扑优化整体最优解的问题； o h a s a n 9 e b i 【3 5 j 在结构优化中应用适应进化策略，从而提高了大型结构优化设计 的计算性能。 1 5 研究热点以及亟待解决的问题 近年来，随着塔设备的大型化，工程技术人员便展开了对大型塔“软件 与 “硬件”的研究工作。在“软件”方面，学者们对大型塔的工艺和控制进行优化； 在“硬件”方面，国内的技术水平相对比较落后，亟待塔设备研究人员加大研究 力度，对大型塔内构件以及塔内件支承结构的研究。 关于大型塔内件支承结构的研究工作，主要集中在支承形式的探讨以及结构 设计，如大型常压塔塔盘主梁的结构设计【6 】和桁架式支承结构的设计【l0 1 。在建筑 领域，桁架结构以及其他可作为支承的钢结构在理论上较为成熟，并且有大量的 文献和专著可供参考。 在实际工程中，针对某种特定的塔型不仅需要我们判断适合的支承结构，还 要求我们对选定的支承结构进行优化设计，从而达到节约用材，降低工程造价的 目的。通过查阅大量相关文献发现，关于大型塔内件支承结构优化设计的研究可 谓是凤毛麟角，亟待从事塔设备研究的工程人员填补这个空缺。 基于有限元分析软件a n s y s 的优化设计已经被广大的工程设计人员所采 第一章文献综述 用，并且a n s y s 的优化设计功能并已被工程界公认为科学有效的优化工具。对 桁架结构进行优化是典型的优化设计问题，被许多优化设计教程作为案例来分 析。然而对大型塔内构件桁架支承结构的优化设计还是工程界的空缺，因此，运 用a n s y s 的优化功能得到一种合适并且较为通用的优化设计方法乃是目前亟待 解决的问题。 1 6 课题的研究内容及研究方法 1 6 1 研究内容 桁架结构由于其在结构和受力方面的优点，被广泛应用于建筑、桥梁等钢结 构中，并逐步为大型塔设备设计人员所青睐。然而，关于大型塔内构件桁架式支 承结构研究还有待完善，这就是开展该课题的原因所在。 课题研究的主要任务是综合考虑结构重量和支承高度时，对现有大型填料塔 桁架式填料支承结构进行优化设计。本文主要从以下几个方面进行探讨： 1 借鉴钢结构的设计方法，得出用于大型塔内件支承桁架支承的设计以 及强度和稳定性校核方法； 2 以直径为1 3 8 m 的大型填料塔为例，对桁架式填料支承结构进行有限元 分析，校核其刚度和强度，并得出相应的补强方案； 3 以有限元强度和刚度分析为基础，运用a n s y s 的优化设计功能对直径 为1 3 8 m 的大型填料塔各段填料支承结构进行优化，并得出最优化设计方案； 4 对优化结果进行分析和探讨，总结出一套可作为工程设计参考的的优 化设计方案。 1 6 2 研究方法 对于普通的工字型钢支承梁则可以采用理论力学和弹性力学分析方法建立 力学计算模型，得出的计算结果还是比较可信的；而对于结构较为复杂的桁架支 承结构，可以先将其简化为由节点连接的杆系，用节点法计算桁架中各杆件的内 力，然后根据杆件的受力情况和截面尺寸，校核危险截面处的强度，最后校核跨 度较大杆件的稳定性以及桁架结构的整体稳定性。 采取这种解析计算的方法，对于复杂的桁架结构计算量较大，而且需要做大 量的简化和假设，所以计算结果和实际情况很可能出现较大的偏差。因此，本文 采用相对精确有效的计算机数值分析的方法对桁架支承结构进行刚度和强度分 析，然后用结构力学解析计算的方法得出桁架各杆件的应力，并对比两种计算方 第一章文献综述 法所得出的结果，验证有限元模型的合理性。 最后，将桁架的外形参数以及杆件腹杆截面参数作为优化变量，强度和刚度 条件作为约束条件，并将模型的体积作为目标函数，对有限元分析文件进行修改 生成优化文件，并运用a n s y s 的优化设计功能分别对两种类型的桁架梁进行结构 优化。 第二章大型塔设备内构件支承的设计 第二章大型塔设备内构件支承的设计 为了更具体地了解大型填料塔的主体结构及其所采用的填料支承形式，本文 就以某炼油厂用于蒸馏的一套减压塔为例加以阐述。 该套减压塔的最大直径为1 3 8 0 0 m m ，设计压力为0 1 m p a ，设计温度为2 5 0 ，操作介质为油、油气和水蒸汽( s 含量小于o 5 ，酸值( k o h ) 小于0 5 m g g ) 。 塔体共分6 段，其中顶部循环段、分离段、一中循环段、二中循环段和洗涤段均 为填料段，底部的汽提段内安装双流塔盘。填料段均由液体分布器、填料层、填 料压圈、支承圈、支承梁以及液体收集器组成。 大型减压塔主体结构如图2 1 所示。 2 1 支承结构形式的确定 2 1 1 支承结构的设计原则 设计大型塔内构件支承结构，首先要了解支承结构的设计原则。板式塔和填 料塔对支承结构的要求基本上是一致的，合理的支承结构必须同时满足以下几个 方面的要求【l o 】： 1 ) 强度要求：保证有足够大的强度，以支承填料以及载液的重量； 2 ) 刚度要求：保证有足够大的刚度，避免支承结构产生过大的挠度从而导 致“偏流”现象，进而影响液体的均匀分布； 3 ) 工艺要求：有利于液体的再分布； 4 ) 材料要求：耐腐蚀性能好( 不同的物料有不同的要求) ； 5 ) 结构要求：提供足够大的自由截面，尽量减少气液两相的流动阻力；尽 量减小支承结构的高度，使支承结构占用尽可能小的塔高空间；便于制造、安装 和检修。 上述几点是塔内传质过程对塔设备的基本要求，对于大型和超大型的塔设备 来说，除了要满足上述要求外还要考虑许多其他因素。比如：高温操作时支承结 构材料受热膨胀，从而可能产生过大的变形，因此在确定支承结构的约束方式时 要考虑到温度的影响。 第二章大型塔设备内构件支承的设计 ；赫毫 “车葬 酱 1 、液体分布器2 、填料压圈3 、支承主粱4 、集油箱5 、塔盘 圈 l 大型减压塔主体结构图 f i g2 - 1t h e m a i n b o d y $ i n t c e i i r e o f l a 璀e - s c a l e d v a c t l u m t o w e r 2 1 2 支承结构的选型 1 几种支承形式的比较 在确定支承结构形式之前，先对各种不同的大型塔内件支承结构进行比较， 清楚地认识到各种支承结构的优缺点。以下列举了几种较为常见的可以作为大型 塔设备支承主粱的结构形式，比较各种结构的特点，并阐述各种支承结构形式适 叁 攀一 第二章大型塔设备内构件支承的设计 用的场合。 1 ) 腹板开孔的工字钢 这种结构为在工字钢腹板上以一定的直径、一定的间距开圆形孔，具体结构 形式见图2 2 ( a ) 。这种支承形式结构简单，加工方便，在公共建筑的屋顶支承 以及大、中型塔的内构件支承中经常见到。 由于结构上的原因，存在涡流现象，容易造成气体初始分布的端效应，从而 影响介质流动，不利于设备操作效率的提高。 2 ) 带支承牛腿的型钢梁 这种支承梁即为前文所提到的拱型支座梁，如图2 - 2 ( b ) 所示。这种支承形 式的结构最为简单，通过加大、加长支承牛腿以减小梁的跨度来解决梁的失稳问 题。这种结构常用于直径较大的板式塔塔盘的支承主梁。 悬臂梁支座有效地降低了梁的最大弯矩，从而使h 型钢梁的高度降低。此外， 采用此种结构的拱型支座梁，安装拆卸方便，充分利用了材料，减轻了梁的自重， 降低梁的高度，避免气流旋绕、冲击，发挥高效填料的性能，有效降低了塔的高 度。 3 ) 桁架支承结构 相对于前两种支承形式，桁架支承在结构上较为复杂，如图2 2 ( c ) 所示。 在大跨度的建筑结构中最为常见，比如：大跨度的屋盖钢结构的主梁或檩条，桥 梁钢结构，移动式钢结构，以及普通厂房中的吊车梁结构，均采用平面或空间桁 架结构。 该支承结构可将每一根桁架梁都近似地视为二力杆件进行受力分析，其受力 情况最好，对介质的流动影响很小。此外，其结构灵活，重量较轻，拆卸方便， 被广泛用于建筑、桥梁等钢结构设施中，桁架的跨度可达几十米，有大量的使用 经验。 2 桁架梁与实腹梁受力特性的比较 桁架支承结构在承受载荷时，各杆件受力均以单向拉、压为主，通过对上下 弦杆和腹杆的合理布置，可适应结构内部的弯矩和剪力分布。由于水平方向的拉、 压内力实现了自身平衡，整个结构不对支座产生水平推力。 为了凸显桁架结构适用于大跨度、大载荷的场合，现对桁架梁和实腹梁的受 力性能对比如下： 1 ) 在抗弯方面，桁架梁将受拉与受压的截面集中布置在上下两端，增大了 内力臂。因此，以同样的材料用量，桁架梁可以获得比实腹梁更大的抗弯强度。 2 ) 在抗剪方面，通过合理布置腹杆，桁架梁能够将剪力逐步传递给支座。 无论是抗弯还是抗剪方面，桁架结构都能够使材料强度得到充分发挥，从而 第二章大型塔设备内构件支承的设计 适用于各种跨度的建筑屋盖结构。桁架梁的重要意义还在于，它将承受压力作用 的实腹梁内部复杂的应力状态转化为桁架杆件内简单的拉压应力状态，使我们能 够直观地了解力的分布和传递，便于结构的变化和组合。 此外，桁架梁的结构布置灵活，对其结构稍加调整便可适用于不同跨度和载 荷的结构支承，因此在许多领域得到了广泛的应用。 厂一叶 ；丌万百石飞丽灭厂丽； l j 上 ( a ) 腹椒开孔的工子钢 1 t 八丌 ：三乒= = j = = = g ： l 八j _ j l ( b ) 带支承牛腿的型钢梁 ( c ) 桁架支承结构 图2 2 三种常见的塔内件支承结构 f i g 2 - 2t h r e et y p e so fc o m m o ns u p p o r ts t r u c t u r eu s e di nl a r g e s c a l e dt o w e r 该套塔设备中，塔体最大直径为1 3 8 0 0 m m ，并且各段填料层较高，变径段 较多，最终确定选择桁架结构作为填料支承结构。 2 2 桁架式支承结构的设计 2 2 3 支承结构的选材 根据塔内操作介质的性质( 如酸碱性、腐蚀性等) 和操作温度选取支承结构 的材料。 第二章大型塔设备内构件支承的设计 根据该套塔设备操作介质的性质以及操作工况，填料支承材料选用3 1 6 l 。 鉴于3 1 6 l ( 钢号为：o o c r l 烈i 1 4 m 0 2 ) 具有良好的耐酸性和抗氧化性，以及在 温度不太高时( 低于8 0 0 。c ) 具有良好的耐热性能。 2 2 4 桁架形式及布梁 1 结构形式设计 钢结构中桁架结构可分为平面桁架式、t 形桁架式以及空间桁架式三种【3 6 】， 每种桁架结构根据其上下弦杆和腹杆的布置结构又可分为不同的形式。根据塔设 备操作空间的要求，在众多桁架梁中选用了腹杆成v 字形的平行弦杆桁架结构， 如图2 - 9 。 桁架式支承的跨度l 根据桁架梁在塔中的安装位置而定，钢结构设计 3 4 】给出 了桁架式檩条的截面高度一般为跨度的1 1 2 1 1 8 ( 该套减压塔中，填料支承承 受的载荷较大，所以可能超出该范围) ，腹杆与弦杆的交角q 宜取4 0 。6 0 。，节 间长度长度主要由计算得到。 2 桁架杆件的截面形式 3 4 】 桁架杆件截面形式应根据用材经济、连接构造简单并且具有足够的刚度等要 求来确定。桁架杆件一般是轴心受力杆件，设计时应尽量使其在桁架平面内和平 面外的稳定性或长细比相接近( 丑= 无，) ，这样刚度和稳定性较好，并且用材最 省。当有弯距作用于杆件时，则应适当加大弯距作用方向的截面高度。 桁架中各杆件可以采用不同类型的型钢，比如圆钢、方钢以及角钢等。工程 中采用角钢的较多，最常采用的截面形式为双角钢组成的t 形截面，节点处用位 于双角钢间的一块节点板连接。 1 ) 上、下弦杆 该塔的桁架支承结构的上弦杆上放置支承填料的栅板，承受来自填料、载液 以及其他塔内件的载荷，所以应尽可能提高x 轴的截面惯性距l ，以增加抗弯截 面系数。因此，上、下弦杆采用长边相并( 两角钢不用节点板连接) 的双不等边 角钢t 形截面。 2 ) 腹杆 大型塔内构件支承结构中，腹杆较短、内力较大。因此，腹杆采用双等边角 钢t 形截面。 ， 各杆件所用角钢的规格则根据工艺要求经过力学计算选取，再进行强度、刚 度以及稳定性校核，下文将介绍常用的校核方法。 3 节点设计 钢桁架一般在节点处设置节点板，把交汇于节点的各杆件都与节点板相连 第二章大型塔设备内构件支承的设计 接，形成桁架的节点，各杆件把力传给节点板并互相平衡。一般的杆件把全部内 力传给节点板，而在节点处连续的杆件则把两侧的内力差a n 传给节点板。当 节点上作用有载荷p 时，则传给节点板的力为或a n 与p ；有局部弯距的杆件 则还要传递弯距和剪力。 图2 3 有集中载荷的节点构造图 f i g 2 - 3t h ec o n s t r u c t i o n a ld r a w i n go fn o d ew i t h c o n c e n t r a t e dl o a d 杆件与节点板的连接通常采用焊接，c 级普通螺栓连接常用于输电线路塔架 和一些可拆卸的桁架以及安装连接中；高强度螺栓连接在重型桁架中应用较多， 可在工地现场进行拼装。 为了避免由于偏心受力而引起附加弯距，各杆件的形心线理论上应与杆件轴 线重合，如图2 3 所示。但为了制造方便，通常各角钢折边至轴线的距离取5 m m 的倍数，所取值应使轴线与杆件的形心线间距最小，以作为角钢的定位尺寸。关 于节点设计