（机械设计及理论专业论文）造粒塔振动特性分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 造粒塔的支柱采用钢管结构和钢管混凝土结构，钢管混凝土结构很好地利用钢管 和混凝土两种材料在受力过程中的相互制约作用，即钢管对混凝土的约束作用，使混 凝土处于三向受力的状态，从而使混凝土的强度得以提高，脆性得以下降，塑性和韧 性性能大大改善；同时，由于混凝土的变形，使钢管处于相对复杂的应力状态，同时 增强了钢管壁的稳定性。 对两种结构的造粒塔进行建模，定义不同的梁截面和实常数，使用a n s y s 参数化 设计语言( a p d l ) 对造粒塔建立有限元模型，使用了梁单元、杆单元、质量单元。对造 粒塔进行模态分析，并用模态分析的结果进行抗震分析。抗震分析包括时程分析法和 地震谱法分析，其中时程分析法包括地震波的处理和人造地震波的生成。地震波处理 是使不同的地震波最大加速度峰值满足规范。人造地震波是按照造粒塔所在地的地理 条件和抗震烈度模拟一条地震波。对造粒塔进行x 和y 方向分析，得到需要的结果， 使用m a t l a b 对得到的结果进行处理得到需要的曲线。对各种波和谱分析对应的结果 进行比较和分析。 使用静态分析法对造粒塔进行抗风分析。高层建筑结构在风载荷作用下，同时受 到平均风和脉动风的作用，脉动风可以用平均风通过风振系数的形式来等效表达。计 算出每条轴线每个节点受力，定义一个数组，使每个节点力与数组中的值对应。使用 循环语句对每一个节点施加风载荷，施加完载荷求解，得出每个节点在风载荷的作用 下位移响应。使用m a t l a b 对得到的结果进行处理得到需要的曲线，并对结果进行分 一 析。 一 通过对两种结构的造粒塔进行分析，并进行对比，得出结论，看哪种结构造粒塔 抗震抗风性能更好。并对照规范看其是否满足规范。 关键词：造粒塔；a n s y s ；有限元法；抗震分析；抗风分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h es t e e lt u b es t m c t l l r ea n dt h ec o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b u l a rs t r l j c t l l r ea r eu s e da st h e p i l l a ro fp r i l l i n gt o w e r t h ec o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b u l a rs t r u c t u r em a k e sg o o du s eo ft h es t e e l t u b ea n dc o n c r e t e sm u t u a l l yr e s t r i c t e df u n c t i o ni nt h es t r e s sp r o c e s s i e t h ec o n s t r a i n t so f s t e e lt u b et oc o n c r e t e ，w h i c hm a k e sc o n c r e t ei n t oas t a t eo ft h r e e d i m e n s i o n a l t h u st h e c o n c r e t es t r e n g t hi si n c r e a s e d ，b r i t t l e n e s si sd e c r e a s e d ，a n dp l a s t i c i t ya n dt o u g h n e s s p e r f o r m a n c ea r eg r e a t l yi m p r o v e d ；a tt h es a m et i m e ，d u et ot h ed e f o r m a t i o no fc o n c r e t e ，t h e s t e e lt u b ei sp u ti n t oar e l a t i v e l yc o m p l i c a t e ds t a t e a n dt h es t a b i l i t yo fs t e e lt u b ew a l li s e n h a n c e d b ym o d e l i n gt w ok i n d so fs 打u c t u r e o ft h ep r i l l i n gt o w e r ，d i f f e r e n tb e a ms e c t i o na n d r e a lc o n s t a n t sa r ed e f i n e d ，a n daf m i t ee l e m e n tm o d e lo f p r i l l i n gt o w e ri se s t a b l i s h e db y u s i n ga n s y sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e ( a p d l ) a n dt h eb e a me l e m e n t ，s t e mc e l l ，q u a l i t y u n i t am o d a la n a l y s i si sc o n d u c t e dt op r i l l i n gt o w e r a n dt h e nas e i s m i ca n a l y s i si sc a r r i e d o u ta c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fm o d a la n a l y s i s t i m e h i s t o r ya n a l y s i sa n ds e i s m i c s p e c t r o m e t r ya n a l y s i si si n c l u d e di ns e i s m i ca n a l y s i s t i m e h i s t o r ya n a l y s i si n c l u d e st h e p r o c e s so fs e i s m i cw a v e sa n dt h eg e n e r a t i o no fa r t i f i c i a ls e i s m i cw a v e s t h ep r o c e s s i n go f s e i s m i cw a v e si st om a k ed i f f e r e n ts e i s m i cw a v e ss a t i s f yt h es p e c i f i c a t i o no ft h em a x i m u m p e a ka c c e l e r a t i o n t h ea r t i f i c i a ls e i s m i cw a v e sa r et os i m u l a t eas e i s m i cw a v ea c c o r d i n gt o t h ep r i l l i n gt o w e r sg e o g r a p h i cc o n d i t i o n sa n ds e i s m i ci n t e n s i t y a n a l y s e sa r ec a r r i e do u ti n d i f f e r e n td i r e c t i o n sr e s p e c t i v e l yt og e tt h en e e d e dn u m e r i c a lv a l u e s ，a n dan e e d e dc u r v ei s o b t a i n e db yu s i n go fm a t l a bt op r o c e s st h er e s u l t a n a l y s e so fa l ls o r t so fw a v e sa n d s p e c t r u mc o r r e s p o n d i n gr e s u l t sa r ec o m p a r e da n da n a l y z e d t h ea n a l y s i so fp r i l l i n gt o w e r sw i n dr e s i s t a n c ei sc o n d u c t e db ya p p l y i n gs t a t i c a n a l y s i sm e t h o d h i g h r i s eb u i l d i n gs t r u c t u r ei nt h ew i n dl o a di su n d e rt h ee f f e c to ft h e a v e r a g ew i n da n df l u c t u a t i n gw i n ds i m u l t a n e o u s l y ，a n dt h ef l u c t u a t i n gw i n dc a nb e e q u i v a l e n t l ye x p r e s s e db yu s i n ga v e r a g ew i n dt h r o u g ht h ef o r mo fw i n dv i b r a t i o nc o e f f i c i e n t t h ef o r c eo fe a c hn o d eo fe a c hr o a da x i si sc a l c u l a t e d ，a n daa r r a yi sd e f i n e d ，s ot h a te a c h n o d ef o r c ec o r r e s p o n d sw i t ht h ev a l u e so fa r r a y w i n dl o a di sa p p l i e dt oe a c hn o d eb y u t i l i z i n gl o o p i n gs t a t e m e n t s ，a n dc a l c u l a t i o ni sc o n d u c t e d a f t e rt h el o a di sa p p l i e d ，t h e nt h e d i s p l a c e m e n tr e s p o n s eo fe a c hn o d eu n d e rt h ef u n c t i o no f w i n dl o a di sd e r i v e d t h en e e d e d c u r v ei so b t a i n e db yu s i n gm a t l a bt op r o c e s st h ea b o v er e s u l t s a n dt h er e s u l t sa r e a n a l y z e da tt h ee n d t h r o u g ht h ea n a l y s e sa n dc o m p a r i s o no ft h et w ok i n d so fs t r u c t u r eo fp r i l l i n gt o w e r a r e t h ec o n c l u s i o na r ed r a w nt os e ew h i c hs 仃u c t i 鹏o fp r i l l i n gt o w e rh a sb e t t e rs e i s m i ca n d w i n dr e s i s t a n c e a n dt h ec o m p a r i s o ni sc a r r i e do u tt os e ei fi tm e e t 也es t a n d a r da c c o r d i n gt o t h en o r l n s k e yw o r d s ：p r i l l i n gt o w e r ；a n s y s ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；s e i s m i ca n a l y s i s ；w i n da n a l y s i s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 塔式结构的特点 高耸建筑垂直地面高度较高、横截面面积较小、横向荷载的作用相对垂直方向载 荷的作用起决定性作用。高耸建筑可以分为自立式的塔式结构和拉线式的桅式结构两 种结构1 1 。 塔式结构的底端固定于地面上，上端在横向载荷的作用下是可以动的，其力学模 型可以简化为悬臂梁。 塔式结构的优点是建筑结构美观紧凑，外形丰富，十分符合现代建筑美学要求， 并且占地面积较小，适合在土地使用面积紧张的城市建造，能同时满足功能和观赏的 要求，成为城市的标志性建筑；同时，塔式结构的刚度较大，能够很好地满足变形限 制要求。但塔式结构也不是没有缺点，缺点是需求较多材料，材料较多导致造价较高。 塔式结构按使用材料分为钢结构和钢筋混凝土结构两类。钢结构塔的优点是外形 众多，结构玲珑剔透，可预先在工厂制造大部分构件、后在工地上进行安装，即保证 了构件的质量，又可以缩短塔建造的工期；钢结构塔的缺点是防锈、防火性能较差。 和钢结构塔相比钢筋混凝土结构塔外观较厚实，外形变化相对也较少，大多为现场浇 筑施工，受到季节性影响，天气对工期长短的影响比较大，其防火防腐性能相对较好。 由于钢筋混凝土结构塔较重，增加了地基基础的投资，在地震作用下钢筋混凝土塔受 到的影响更大。 由于塔的功能不同，承受的主要载荷也不同。输电塔承受塔身和导线的风载荷、 由于导线的不平衡引起的张力、断线引起的力等，而在湿冷的山区，塔可能还要承受 覆冰的作用。多功能钢结构电视塔主要承受风荷载，活荷载和塔楼处的重力荷载也是 不能忽略的载荷。通信塔承受的主要载荷为塔身及天线和平台上的风荷载。在寒冷地 区，例如我国东北地区，塔内外的温度差也会造成较大的温度效应。 总之，塔式结构的类型是很多的，而塔式结构的应用也是十分广泛的。塔的分类 的基本出发点是使用功能的不同。不同结构的塔式结构优缺点不同，不同使用功能的 塔承受的载荷不同。 1 2 钢管混泥土结构的特点 钢管混凝土结构是在钢管内填充混凝土的一种组合结构。在受力过程中，钢管和 混凝土两种材料的相互制约作用被钢管混凝土结构很好地利用，由于钢管的约束使混 凝土处于三向受力的状态，提高了混凝土的强度，降低了脆性，改善了韧性和塑性性 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 能；同时，由于混凝土的变形钢管处于相对复杂的应力状态，钢管壁的稳定性得到增 强。钢管和混凝土有效的组合使两者充分发挥各自的长处，使钢管混凝土结构具有很 多优越的性能【2 】： ( 1 ) 承载能力高。钢管混凝土在钢管中填充混凝土，核心混凝土在钢管约束下，延 缓了其受压时的纵向开裂，同时混凝土可以延缓或避免薄壁钢管过早地发生局部屈曲。 两种材料充分发挥各自的优点，弥补了相互的弱点，使钢管混凝土具有很高的承载能 力，通常都要高于组成钢管混凝土的钢管和核心混凝土单独承载能力之和； ( 2 ) 韧性和塑性好。钢管中灌入混凝土，在钢管的约束下，改善了核心混凝土在使 用阶段弹性性质，避免了在破坏时较大的变形。除此之外，在承受振动荷载时和冲击 载荷时，这种结构也具有更好的韧性。 ( 3 ) 耐火性能好。火灾时，核心混凝土钢管的热量，使钢管的温度升高滞后，这样 钢管混凝土中钢管相比纯钢结构的承载力损失要小，混凝土受到钢管的保护不会发生 崩裂现象。火灾作用下，钢管由于温度升高降低其承载能力，把卸下的荷载传递给承 载能力较高、温升较慢的核心混凝土。钢管混凝土的钢管和其核心混凝土有效的组合， 使其较好的耐火性能。 ( 4 ) 施工和制作简便。通常钢管混凝土比钢结构件构造更为简单，焊缝更少，制作 更简易。钢管混凝土中可以采用薄壁钢管，钢管的现场拼接和后焊接更为简便快捷。 此外，由于薄壁空钢管构件的重量小，运输和吊装更为方便，费用更少。钢管混凝土 比普通钢柱柱脚零件少，焊缝更短，可以直接插入混凝土基础的预留杯口中，柱脚构 造更为简单。 ( 5 ) 经济效果好。大量工程实际的经验表明：在承受相同的压力情况下，与普通的 钢筋混凝土结构比钢管混凝土结构可以节约大约5 0 混凝土，减轻结构大约5 0 的自 重。钢材用量几乎相等或略高；和钢结构相比，可以节约大约5 0 的钢材，此外，钢 管混凝土相对钢管柱，由于在钢管内部填充了混凝土，防锈费用也会有所降低。 工程中常用的几种钢管混凝土截面形式如下图所示： 么梭心灌挺上 图1 - 1 常用钢管混凝土截面形式 么二镂白灌凝上 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 3 造粒塔的介绍 2 0 0 1 年，宁夏开元肥业公司引进了第一套高塔造粒复合肥装置后，几年之后，各 公司已经引进了近4 0 套造价上千万的高塔肥生产装置，化肥的产量也达到了几百万吨。 高塔造粒生产复合肥能够很好的解决传统复合肥生产中遇到复合肥含量氮不高的问题， 生产出的复合肥更能满足作物实际需要的配比。此种复合肥具有养分稳定，外观圆滑， 不易板结，难以仿冒等诸多优势，越来越受到广大农民的欢迎，并逐步成为复合肥市 场的主打产品。 造粒塔通常是圆柱形( 高4 0 1 3 0 m ，直径8 - 2 2 m ) 和方形组合的高大钢筋混凝土建筑 物。塔体造价一般为9 0 0 万元左右。造粒塔的通风方式分为机械通风和自然通风两种， 不同的通风方式造成了塔形状的不同。早期，造粒塔采用机械通风，采用这种通风方 式增加了运行成本。2 0 世纪6 0 年代初开始，造粒塔采用空气热压进行自然通风。在相 同的颗粒落下过程中，相比机械通风自然通风的通风量要少2 0 到3 0 左右，导致传 热差较小，造成出料温度较高。为了达到相同的冷却效果则需要增加塔身的高度，高 度的增加造成了建筑成本的增加。由于热压头小，自然通风尽可能减少进出口风的阻 力，进出口尽可能敞开并应做成横向尺寸大于纵向尺寸，同时做好防风、防雨和调节 风量的措施【3 j 。 塔的高度越高通风效果越好，但是成本也越高。塔的高度增加物料冷却时间增加， 出料温度降低，成品内在和外在质量得到保障。下图为造粒塔外形图。 图1 - 2 造粒塔外形图 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 4 研究的背景和研究的意义 在高、大、细、长等柔性结构的设计中，风荷载是重要的甚至是起决定性作用的 设计荷载，如果处理不当可能会造成工程结构破坏和倒塌，给人民的生命和财产带来 极大的损失。 近年来我国发生多起塔倒事故。其中1 9 9 2 年和1 9 9 3 年我国5 0 0 k v 高压线路连续 两次发生塔倒事故，特别是葛双回路一次倒7 座基塔，造成很大的影响，因此，很有 必要对造粒塔静、动力响应特性进行更加深入的研究。 对于高度较高柔度较大的塔式结构来说，一般承受风载荷时的影响比地震的影响 要大，但是如果结构处于高地震烈度区，同时自重又比较大，则地震的影响可能会更 强烈些。因此塔式结构如果要建造在高地震烈度区的，必须要充分考虑地震作用的影 响，以保证其结构的安全。 1 5 论文的主要内容 本论文对一个9 9 8 m 高的钢管结构和钢管混凝土结构造粒塔进行抗震抗风分析。该 塔为筒体结构，由一个圆形和一个正方形组成。分别对钢管结构和钢管混凝土结构造 粒塔进行分析，在相同地震烈度和风压的情况下，看哪种结构位移响应更小。然后对 位移响应更小的结构进行分析，看其是否满足规范要求。用a n s y s 软件对造粒塔进 行分析，用m a t l a b 软件进行计算并绘制相应的图表。 论文的主要内容包括： 第1 章介绍塔式结构的应用，由于钢管混凝土结构造粒塔的支撑柱是铡管混凝土 结构，简单的介绍一下钢管混泥土结构的概念和优点，并对造粒塔进行介绍，通过介 绍对造粒塔有大致的了解，最后是研究的意义。 第2 章建立造粒塔有限元建模，无论钢管结构还是钢管混凝土结构，外形都是一 致的，区别在于支撑柱结构不同。主要介绍有限元法的理论和a n s y s 软件的简介和造 粒塔的结构。定义不同的梁截面和实常数使用a p d l 语言进行建模。 第3 章对造粒塔进行地震特性分析，首先简单介绍地震的知识，对两种不同结构 的造粒塔进行模态分析，采用时程分析法对两个结构分别分析，看哪种结构在相同地 震烈度情况下位移响应更小，对位移响应更小的结构分别采用谱分析法和时程分析法 进行分析。对造粒塔进行x 和y 方向地震分析，得出结果并处理和分析。 第4 章对造粒塔进行静风分析，先介绍风的概念和风载荷的计算方法，后对两种 结构的造粒塔进行分析并进行比较得出结论。 第5 章对分析的结果进行比较得出结论并对进一步研究进行展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第二章造粒塔有限元模型的建立 有限元模型由节点和元素组成与建筑结构系统的几何外型基本是一致的。建立有 限元模型的方法有直接法和间接法两种方法。根据结构系统的几何外型直接建立节点 和元素的方法称为直接法，只适用于几何外型结构较简单的系统，适用范围较窄。通 过画点、线、面、体积，建立模型，再进行网格划分，建立有限元模型的方法叫间接 法，适用于节点及元素数目较多的几何外型结构较为复杂的系统，使用范围更广。对 造粒塔进行有限元分析，首先要建立合适的造粒塔有限元模型。由于造粒塔的结构相 对较为复杂，节点较多，本文采用间接法建立有限元模型。钢管结构造粒塔和钢管混 凝土造粒塔在结构上没有太大的区别，只不过支撑柱结构不同，钢管结构造粒塔采用 钢管结构，钢管混凝土造粒塔采用钢管混凝土结构，建立模型时注意定义不同的截面， 截面不同参数也不同，其余的结构相同。 2 1 有限元法简介 2 1 1 有限元法的基本思想 有限元法的基本思想可概括为：“化整为零又积零为整”或“先分后合”。此话可以 解释为将任意一个连续体或结构划分成多个小的单元，通过一些节点把有限多个离散 的单元连成集合体代替原来的连续体或者结构，即把连续体转化成离散的模型来进行 力学分析。 2 1 2 有限元法的分析过程 利用有限元法进行结构分析的过程可分为以下三大步骤 1 3 - 1 5 】： 1 连续体的离散化 单元剖分可以理解为将某个工程结构离散为由各种单元组成的有限元计算模型。 通过单元的节点把离散后的单元与单元相互之间连接起来；根据要解决问题的性质、 描述变形形态的需要和计算精确程度决定单元节点的性质、设置、数目等。 2 单元特性分析 ( 1 ) 选择单元位移函数 在分析中采用位移法时，先把物体或结构物进行离散化，之后用节点位移来表示 如位移、应变和应力等单元中的一些物理量。这时就可以用一些近似函数( 即能逼近 原函数的函数) 来表述单元中位移的分布情况。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 ( 2 ) 分析单元的力学特性 节点力和节点位移的关系通过弹翅性力学中的几何方程和物理方程来建立，进而 导出单元刚度矩阵，根据单元的材料性质、形状、节点数目、尺寸、位置及其含义等， 列出单元节点力和节点位移的关系式，这是有限元法的基本步骤也是十分重要的步骤。 ( 3 ) 计算等效节点力 可以用等效的节点力来替代作用在单元上的力，作用在单元边界上的表面力、体 积力和集中力都要等效地用节点力来表示。 3 整体分析 ( 1 ) 单元组集 利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新连接起来，形成 整体的有限元方程： 【k ) = f ) ( 2 - 1 ) 式中：k 】整体结构的刚度矩阵； f 材 节点位移矩阵； f 载荷力矩阵。 ( 2 ) 求解代数方程组，得出所有节点位移分量 由方程组的具体特点选择相应的计算方法来求解有限元方程式( 2 1 ) 得出相应的位 移。 ( 3 ) 由节点位移求出内力或应力 综上分析，有限单元法的基本分析思想可以理解为“一分一合”，分是为了对单元 进行分析，合是为了对整体结构进行综合分析。 一 2 2 有限元软件a n s y s 简介 2 2 1a n s y s 软件的特点 a n s y s 主要有三个方面的特点【5 】： 1 强大的分析功能。 2 一体化的处理技术。 3 丰富的产品系列和完善的开放体系。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 2 2a n s y s 软件的分析步骤 a n s y s 分析过程包括以下三个步骤【6 】： 1 建立有限元模型，包括根据需要选择单元类型，根据实际情况定义单元特性、 材料特性包括一些参数，确定网格的大小后进行网格划分等一些前处理过程； 2 加载和求解，首先确定边界条件，对模型施加荷载，最后进行求解； 3 查看计算的结果，查看需要的计算结果如应力应变等，并进行必要的后处理。 a n s y s 软件的分析步骤如图2 1 所示： l 建立材料特性 1 l i 建立几何模型 i 求解 l 图2 1a n s y s 分析步骤框图 2 3 参数化技术与参数化设计语言a p d l 一 一一 一 a p d l 是a n s y sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e 的缩写，具有一般程序语言的功能， 例如定义参数、标量宏、向量、及矩阵运算、循环、分支、重复以及访问a n s y s 有限 元数据库等，除此之外还可以实现简单的界面定制功能，消息机制、参数交互输入、 界面驱动及运行应用程序等。根据实际情况需要使用这些功能，可以单独或同时使用。 用户按实际分析需要来改变程序以满足建模和分析的需要。为了使程序发挥出最大的 效率，用户可以通过精心的设计创建出一个高度完善的控制方案。 为了实现建立参数化有限元模型、定义参数及施加参数化载荷并进行求解以及参 数化后处理结果的显示，可以通过a p d l 的程序语言进行设计与宏的技术组织管理 a n s y s 的分析命令，最终实现全过程的有限元参数化分析。有限元参数化的分析有以 下一些优点，在分析过程中，通过修改一些简单的参数，不用做大的改动就可以实现 分析各种尺寸、各种载荷的多种设计方案，提高了分析的效率，减少了分析的成本。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 与此同时，用户还可以以a p d l 程序语言作为基础开发出专用的有限元分析程序，提 高分析效率。 总之，a p d l 不仅扩展了传统有限元分析功能以外的能力，还可以实现了设计修 改、设计优化、序列化分析、建立标准化零件库等功能。使用a p d l 程序语言进行参 数化建模，大大方便了修改，修改简单的参数就可以对不同载荷作用下造粒塔进行分 析，提高分析的效率。 2 4 造粒塔有限元模型的建立 造粒塔的结构非常复杂，有限元模型中包括成千上万的节点，其中有杆单元、梁 单元、质量单元，其中梁单元的截面也不尽相同，杆单元和质量单元的参数也各有不 同。并且面和关键点的序号在每次建模操作的过程中不断的发生规律性不是很强的变 化。所以，如果只单纯地使用a p d l 进行程序化设计，就需要花费大量的时间和精力， 特别是对于一些并不是十分熟悉a p d l 和编程的用户来说，用户对有些命令的使用规 则不是很清楚，这基本上是一个几乎不可能完成的任务。由于在界面操作的过程中 a n s y s 可以会自动生成后缀为1 0 9 的文件，它自动地记录了有限元模型建立过程中涉 及到的每一步操作和相关的命令，并且会自动地以a n s y s 命令流的形式保存这些操作。 因此，设计人员可以采用命令流与参数化相结合的方法，并通过分析整理出需要的模 型建立的a n s y s 命令，还需要适当地修改和编辑这些命令生成参数化设计的a n s y s 命令流文件。打开a n s y s 软件，在软件中运行此前整理好的命令流文件，就可以生成 造粒塔有限元模型。 一 2 4 1 造粒塔结构一 一 造粒塔高约1 0 0 m ，总体呈圆柱形前端突出5 m x 5 m 的方形，圆柱的半径为9 6 5 9 m 。 圆形部分为造粒塔的工作装置，方形部分为楼梯。钢管结构造粒塔的支撑柱为钢管结 构，钢管混凝土结构造粒塔支撑柱为钢管混凝土结构，其中混凝土均采用c 4 0 混凝土。 随着造粒塔高度的增加，钢管的直径也由大n d , 变化。钢梁采用工字钢，不同用处的 工字钢截面尺寸各有不同，共采用8 种不同截面尺寸的工字钢。支撑杆部分采用钢管， 钢管的截面不同，共3 种截面尺寸不同的钢管。造粒塔从0 m 到8 0 m 为中空圆筒，5 m 一层，平面结构如图2 2 至图2 5 所示。其中3 0 m ，5 5 m 处外部加固，防止失稳，平面 结构如图2 - 6 所示。上部为设备平台，分别设在8 3 m ，8 6 m ，8 9 m ，9 2 m ，9 9 6 m 。总体 展开图如图2 7 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 姗翻锄姗瓣狮 硼1 咖 图2 - 2 标高2 7 m 平面结构图 图2 - 3 标高5 2 m 平面结构图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 蛳棚埘m 图2 4 圆筒中间楼梯部分平面图 蹦砌埘蛐4 珊瑚 图2 - 5 圆筒中间支撑部分平面图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 飞盛一二i i 嘲霍 丝 霉 坠：l 工 曩i 、j - 一 _ x 影罂氍一 一 审僵 暌霪耵一 严 培b 杖厂- ，惮i 净：l 。i 。i。l。i 。i 名 、刈 、移_ 0 岫 _ 图2 - 6 标高3 0 m ，5 5 m 平面结构图 图2 - 7 圆筒结构平面展开图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 2 - 4 2 模型的单元特性 造粒塔的结构比较复杂，因此在建立造粒塔有限元模型过程中无法将所有的因素 都考虑进去。如果考虑所有因素将使造粒塔模型过于复杂增加了建模和后面处理的难 度，也没有必要，可以直接忽略一些次要因素。本文考虑主要因素，忽略次要因素， 对造粒塔的结构进行一定的简化和一些假设，这样就能建立既能较真实的反映造粒塔 的实际工作状况又有利于有限元分析计算的造粒塔有限元分析模型。支撑柱和各种截 面的钢梁选择b e a m l 8 8 单元。每种结构的造粒塔的支持柱有三种截面的支撑柱，因此 支持柱有六种截面。钢管只需要定义好截面形状，截面定义好后b e a m l 8 8 梁单元的截 面单元刚度矩阵也会自动形成，因此无须再定义实参数，弹性模量和密度都是相同的。 但是钢管混凝土截面要逐个分析，首先定义好截面形状，参照规范查出不同截面的弹 性模量并计算出不同截面的密度，定义不同的材料模型，划分单元要注意不要弄错， 否则会影响计算结果，使分析失去了意义。支撑斜杆选择l i n k 8 单元，杆的截面不同 截面面积不同，在划分单元是要注意选择。造粒中上面几层有一些设备，可以简化为 质量单元，使用m a s s 2 1 单元，质量不同定义不同的质量参数。 1 b e a m l8 8 单元的介绍【1 o 1 1 】 b e a m l 8 8 梁单元是三维线性( 2 节点) 或者二次梁单元。当k e y o p t ( 1 ) = o ( 缺省) 时，每个节点有x 、y 、z 三个方向的平动和绕x 、y 、z 轴的转动六个自由度。当 k e y o p t ( 1 ) = i 时，每个节点有增加了一个自由度，这时就引入了横截面的翘曲自由度。 在定义梁单元时首先要先确定梁横截面形状，定义好b e a m l 8 8 梁单元的截面形状 后单元刚度矩阵也会自动形成，因此无须再定义实截面参数，定义了参数也没有实际 意义，a n s y s 会自动忽略这些参数。 对线段画分单元形成b e a m l 8 8 单元，则在指定线段属性时，不仅需要定义单元的 类型、材料编号、截面编号之外，还需要选择一个关键点，此点的作用时对梁单元横 截面的主轴进行定位。选择定位关键点很重要，如果不选择，梁的方向将出现问题， 在外力的作用下，造粒塔的抗震抗风特性将不准确，分析也就失去了意义。有时可以 在无穷远处画一个点作为定位关键点。但要保证距离足够远，否则梁是倾斜的。 通过下面的一系列对b e a m l 8 8 梁单元的命令操作，可以实现在造粒塔建模以及后 处理过程中，三维空间梁单元b e a m l 8 8 横截面及其各种参数分布情况的图形显示，命 令操作如下表所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 表2 - 1 截面操作命令 命令实现的功能 s e c t y p e定义梁截面的i d 、截面形状以及截面网格加密水平 s e c d a t a 指定横截面的类型以及参数( a n s y s 提供了1 1 种标准截面) s e c o f f s e t指定梁横截面的偏置量 s e c p l o t 显示梁单元的截面几何形状 p r s s o l 输出梁单元横截面的计算结果 b e a m l 8 8 单元的几何节点位置和单元坐标系如图2 8 所示： 图2 - 8b e a m l 8 8 空间梁单元 ： 2 l i n k 8 单元的介绍 1 2 ，1 3 】 l i n k 8 单元为三维杆单元，允许承受拉力、承受压力，并允许对其施加初始预应变。 l i n k 8 单元有两个节点，每个节点都有三个平移自由度，节点自由度为坐标系上的x 、 y 、z 轴三个方向的平动。 l i n k 8 单元的几何节点位置和单元坐标系如图2 - 9 所示： 图2 - 9l i n k 8 杆单元 e p c r ( a x i ) e p 洲 a x t ) l x 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 3 m a s s 2 1 单元的介绍【1 3 】 m a s s 2 1 单元是具有6 个自由度的点单元，只有一个节点。节点自由度可为u x 、 u y 、u z 、r o t x 、r o t y 、r o t z ，通过不同的设置可仅考虑2 d 平面或3 d 空间内的平 动自由度及其组合，每个坐标方向都可以具有不同的质量和转动惯量。该单元无法施 加面载荷和体载荷，支持弹性、大变形和单元生死。 m a s s 2 1 单元的几何节点位置和单元坐标系如图2 1 0 所示： x z芗器嚣芝 x 令y y - e l e m e n t o r 矮n a 姆s y 雠e m 2 4 3 模型的材料特性 1 钢管混凝土结构造粒塔的支撑柱为钢管混凝土结构，钢管结构造粒塔支撑柱为钢 管结构，其中钢管的尺寸是相同的。钢管混凝土结构造粒塔共采用三种截面尺寸不同 的钢管混凝土结构。下面只需列出钢管混凝土的截面就可以知道两种结构造粒塔支撑 柱截面的尺寸，如表2 2 所示： 表2 - 2 钢管混凝土规格 序号编号截面规格材质备注 l g z 一1钢管混凝土 7 2 0 x 1 2 q 2 3 5 c 4 0 混凝土 2g z - 2钢管混凝土( i ) 6 3 0 x 1 2 q 2 3 5 c 4 0 混凝土 3g z 3钢管混凝土m 5 5 0 x 1 0 q 2 3 5 c 4 0 混凝土 钢管和混凝土两种材料作用在一起可以弥补彼此的弱点，充分发挥各自的长处，从 而使钢管混凝土具有很高的承载能力，通常要高于组成钢管混凝土的钢管和混凝土单 独的承载能力的简单叠加。造粒塔主要承受横向载荷，钢管混凝土支撑柱承受弯矩作 用。对于钢管混凝土框架柱的抗弯刚度，目前国内外规程规定不尽相同f 2 1 。 ( 1 ) 英国规程b s5 4 0 0 ( 1 9 7 9 ) e 1 = e s is - i - e c ic ( 2 - 2 、 其中，钢材的弹性模量：e = 2 0 6 0 0 0 ( n m m z ) ； 混凝土的弹性模量：e c = 4 5 0 厶f n m m 2 ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 ( 2 ) 日本规程a i j ( 1 9 9 7 ) e = e s is 七q 2 e c ic 其中，钢材的弹性模量：e = 2 0 5 8 0 0f n m m 2 ) ； ( 2 - 3 ) 混凝土的弹性模量：e c = 2 1 0 0 0 丘1 9 6 ( n m m 2 ) ，z 是混凝土圆柱的抗压强 度。 美国规程a c i ( 1 9 9 9 ) 与a i j ( 1 9 9 7 ) 中给出的计算公式类似。 ( 3 ) 福建省工程建设标准d b j1 3 5 1 2 0 0 3 ( 2 0 0 3 ) 规程d b j1 3 5 1 2 0 0 3 ( 2 0 0 3 ) 考虑到承受弯矩时构件中混凝土有可能开裂，需 要适当地减小构件中混凝土部分的抗弯刚度。研究结果表明，相比方、矩形钢管，圆 形钢管对其核心混凝土的约束效果更好，对其混凝土部分的抗弯刚度的减小可以略少。 规程d b j1 3 5 1 2 0 0 3 ( 2 0 0 3 ) 给出钢管混凝土构件在正常使用极限状态下组合弹性 抗弯刚度的计算公式如下： e = e s is + 仅e c i cq 一4 ) 式中，巨，戽为钢材和混凝土的弹性模量，e , = 2 0 6 0 0 。f n m m 2 ) ，e = z 再j 1 0 而5 ； ，分别为钢管和混凝土的截面惯性矩；系数口的确定方法是：对于圆钢管混凝土， 口= o 8 ；对于方、矩钢管混凝土口= 0 6 。 ( 4 ) 规程e c4 ( 1 9 9 4 ) e = e i + o 6 t ( 2 - 5 ) 其中，钢材弹性模量为：巨= 2 1 0 0 0 0 ( n m m 2 ) ； 混凝土弹性模量为：e = 9 5 0 0 ( z 7 + 8 ) j ( n m m 2 ) 。 ( 5 ) 规程a i s c - - l r f d ( a i s c ，1 9 9 9 ) 提供的计算公式为e = e + o 4 e c ( 4 a + ) t ， 也可近似表示为 e = e + 0 8 置l( 2 - 6 ) 其中，钢材弹性模量为：e = 2 0 0 0 0 0 ( n n 1 i n 2 ) ； 混凝土弹性模量为：e = 4 7 3 3 4 f 。( n m m 2 ) 。 对造粒塔进行分析时，本文采用规程d b j1 3 5 1 1 0 0 3 ( 2 0 0 3 ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 q 2 3 5 的密度为7 8 5 x 1 0 3 k g m 3 ，c 4 0 混凝土的密度为2 4 x 1 0 3 k g m 3 ，不同规格的 钢管混凝的密度为届= 2 7 5 x 1 0 3 k g m 3 ，p z = 2 8 1x 1 0 3 k g m 3 ，p 3 = 2 7 8 x 1 0 3 k g m 3 ，不同 规格的钢管混凝土材料特性如下表： 表2 - 3 钢管混凝土材料特性 编号g z 一1g z 一2g z 一3 弹性模量e s c ( n m m 2 ) 4 8 9 8 45 2 1 3 45 0 9 9 4 密度p ( k g m 3 ) 2 7 5 x 1 0 32 8 1 1 0 32 7 8 1 0 3 2 4 4 造粒塔有限元参数化计算模型 钢管结构造粒塔和钢管混凝土结构造粒塔的区别在于支撑柱的结构不同，只是定 义截面、定义材料特性和划分单元时有所不同，其余都是一样的。此模型共1 9 5 9 个节 点，2 1 0 0 个单元，包括梁单元，杆单元和质量单元。由于模型有三种单元，梁和杆截 面较多，参数也较多，所有建模的过程中应注意以下几个问题： 1 ) 画点时要注意坐标系的选择，点的编号尽量有规律，以便之后的选择和绘制直 线。 2 ) 线的编号，以便选择线段进行复制和单元划分。 3 ) 进行选择的时候，如果编号不是很有规律可以根据坐标选择，但是要注意笛卡 尔坐标系和圆柱坐标的变换，方便选择。 4 ) 线复制以后会出现同一个点但有两个编号的问题，要进行点的编号合并。 5 ) 划分梁单元的时候应选择好梁单元的方向点，使其端面方向正确。由于梁截面 比较多要注意截面尺寸。 6 ) 尽量使用复制命令和循环语句，但是要注意循环的周期要适当，不能过小，使 程序更加简单。 7 ) 注意参数的设置，不同材料或者相同材料不同截面参数都会不同，赋予属性的 时候一定要注意。 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 钢管结构造粒塔和钢管混凝土结构造粒塔有限元模型如下图： a ) 造粒塔线图 图2 一1 1 造粒塔线形有限元模型 b ) 造粒塔框架图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 3 1 模态分析 第三章造粒塔地震特性分析 结构的固有振动特性只与结构本身的质量和刚度的分布有关，因此结构的固有振 动特性又称为自振特性，自振特性将直接影响在动力载荷作用下结构的响应行为。分 析结构的自振特性是对结构进行动力分析的一个基本步骤和重要步骤。 a n s y s 通过模态分析来计算结构的固有振动特性，模态分析可以确定结构的固有 频率以及其对应的振型。任何结构或部件都有固有频率和其对应的模态振型，这些特 性属于结构或部件自身的固有属性。 3 1 1 模态分析理论 模态分析基本的有限元方程如下式1 4 】： 【m 】 衫( f ) ) + 【k 】 u ( f ) ) = o 式中：阻 质量矩阵； 医】刚度矩阵； 衫( f ) ) 加速度矩阵； u ( f ) ) - 一位移矩阵。 多自由度弹性体的自由振动一般可以分解为一系列简谐振动的叠加， 谐振动特解为： u ( ，) ) = 砜) s i l l ( 研+ 秒) ( 3 - 1 ) 式( 3 - 1 ) 的简 ( 3 2 ) 式中， v o 为结构自由振动时各节点的振幅向量。将( 3 2