ANSYS在冷却塔结构设计中的应用 - 图文-

1、ANSYS在冷却塔结构设计中的应用郑付明(中南电力设计院综合设计分公司,湖北武汉430072摘要:通过工程实例介绍了大型通用有限元软件ANSYS在双曲线冷却塔结构设计中的应用.计算分析表明:风荷载是冷却塔结构设计中的控制荷载;人字柱截面设计一般由拉弯工况控制;设计地震7度时冷却塔一般可以不作抗震验算仅采取抗震构造措施.关键词:冷却塔;ANSYS;风荷载;地震作用中图分类号:TM621文献标识码:A文章编号:1673-014304-0087-04自然通风冷却塔是电厂采用二次循环冷却系统的重要构筑物,是电厂的标志性构筑物之一.冷却塔一般采用双曲线型薄壁壳结构,筒体为变厚或等厚壳体结构,在筒体底部一

2、般设下环梁,在壳体顶部设刚性环加强.冷却塔的支柱形式有人字形或X字形,国内的冷却塔一般采用人字柱,人字柱下端嵌固于池壁或支墩.随着电厂单机容量的增大,冷却塔的规模越来越大.目前单机600MW机组根据当地的气象条件和汽轮机的凝汽排汽情况,一般配淋水面积为9000m2的逆流式双曲线型自然通风冷却塔,塔顶高度达150m,壳体顶部中面直径达70m,喉部中面直径达66m,壳体底部直径达108m.冷却塔的结构分析计算国内电力设计院一般采用专门电算程序进行,程序交互能力差,而且较少采用其它程序对比计算.由于目前设计的冷却塔越来越高,而且冷却塔的结构刚度在人字柱处发生改变,笔者认为对冷却塔的结构计算应采用至少

3、2个不同力学模型的结构分析软件进行整体计算.本文拟采用美国ANSYS公司开发的大型通用有限元计算软件ANSYS对冷却塔进行整体分析计算,希望对进行冷却塔结构设计的同行有所启发.1工程概况某工程采用二次循环冷却系统,配套冷却塔为淋水面积3000m2的逆流式双曲线型自然通风冷却塔,塔筒高度85m,顶部直径39.35m,喉部直径35.8m,壳体底部进风口处直径63m,进风口高度5.8m,壳体最小厚度140mm,下环梁最大厚度500mm,塔顶刚性环最大厚度250mm,采用40对人字柱支撑.本工程的基本风压0.55kPa,抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度值为0.10g,II类建筑场地.2有限元模型

4、冷却塔的塔筒是一种典型的薄壳结构,它的厚度最薄处与其直径之比很小.有限元分析时塔筒采用ANSYS的63号壳单元SHELL63,人字柱采用4号单元BEAM4.SHELL63单元既具有弯曲能力,又具有膜力,可以承受平面内荷载和法向荷载,单元每个节点具有6个自由度,沿节点坐标系X、Y、Z方向的平动和沿节点坐标系X、Y、Z轴的转动,单元可以考虑应力刚化和大变形.SHELL63单元定义需要4个节点、4个厚度和正交各向异性的材料属性.BEAM4单元是一种可用于承受拉、压、弯、扭的单轴受力单元,这种单元在每个节点上有6个自由度,X、Y、Z方向的线位移和绕X、Y、Z轴的角位移,可用于计算应力刚化及大变形的问题

5、.SHELL63单元与BEAM4单元的节点自由度耦合通过CP命令或NUMMRG命令实现.建立的有限元模型如图1所示,其中单元总数8600,节点总数8718,边界条件为BEAM4下端固结.第33卷第4期2005年12月江汉大学学报(自然科学版Journal of Jianghan University(Natural SciencesVol.33No.4Dec.,2005收稿日期:2005-08-20作者简介:郑付明(197388江汉大学学报(自然科学版总第33卷3重力荷载作用分析冷却塔的重力荷载作用通过对冷却塔施加加速度实现.值得注意的是,施加加速度的方向必须与重力作用方向相反.ANSYS命令

6、为:ACEL,0,0,9.81.冷却塔在重力荷载作用下的应力云图如图2所示,图中应力单位kPa.计算表明,冷却塔在重力荷载作用下的应力水平较低.ANSYS通用后处理中一个强大的功能就是能够把任何计算结果数据映射到模型的任意路径上,并且能用图形或列表的方式观察结果沿路径的变化情况.通过路径操作,得到冷却塔子午向轴力如图3所示.冷却塔子午向薄膜弯距如图4所示.4风荷载作用分析风荷载是冷却塔结构设计时最重要的荷载之一.首先塔筒的配筋往往由风荷载引起的拉力与重力荷载引起的压力之差即拉弯控制.其次,风荷载在塔筒表面的分布非常复杂.塔筒的脉动风压值与塔的动力特性、塔筒表面有无加肋情况、塔群效应等关系密切.

7、对于基本风压值较大的大塔宜通过风洞试验确定塔的脉动风压值.国内冷却塔一般塔筒表面光滑不加肋,风压环向分布一般用Fourier余弦级数表示, Hn=0n=.对光滑双曲线冷却塔,取级数前8项系数依次为A i=0.1384、0.0014、0.0650.取风压高度变化系数为指数分布Kz=(Z/102005年第4期郑付明:ANSYS 在冷却塔结构设计中的应用89 的90%.振型提取方法采用SUBSPACE 法,计算得到前两阶平动振型如图7、图8所示. 从计算结果可以看出冷却塔的基本自振周期T 1=1/4.5029=0.2221s ,结构的刚度很大.6地震反应谱分析冷却塔结构的地震作用采用单点加速度反应谱

8、分析.首先对冷却塔进行模态分析并进行模态扩展,加速度反应谱分析时振型组合方法采用SRSS 法.在后处理中通过读入振型组合文件JOBNAME.MCOM ,得到7度多遇地震水平地震影响系数最大值799kN ,在0.55kPa 风荷载作用下,人字柱最大轴向拉力1397kN ,在7度多遇地震作用下,人字柱最大轴向拉力151kN .风荷载作用效应远大于重力荷载和地震作用效图5冷却塔的风压作用模型图6风载作用下主应力云图图7振型1,频率4.5029Hz,振型参与质量比0.55图8振型2,频率7.232Hz ,振型参与质量比0.723图97度多遇地震塔筒子午向轴力云图90江汉大学学报(自然科学版总第33卷

9、应.因此,风荷载是冷却塔结构设计时最为重要的荷载,应引起充分重视,而且人字柱在设计风荷载作用下,往往是拉弯工况控制截面配筋.此外,由于冷却塔结构自重较轻而刚度很大,因此一般情况地震作用下的截面内力并不大.我国火力发电厂水工设计技术规定中也有“在抗震设计烈度为7度地区,冷却塔设计应考虑抗震构造,可不作地震验算”的一般性规定.8结论(1冷却塔是二次循环冷却系统中的重要构筑物,对于大塔应采用不少于2种力学模型计算,ANSYS 可以方便高效地求出冷却塔在各种作用下的效应.(2风荷载是冷却塔结构设计中非常重要的荷载,应引起足够重视.冷却塔结构设计往往是风荷载起控制作用,人字柱截面设计通常是拉弯工况控制.

10、(3冷却塔结构自重轻、刚度大,地震作用一般较小,设计地震7度时一般可以不作抗震验算仅采取抗震构造措施.参考文献:1GB/T50191-1993,构筑物抗震设计规范S .2NDGJ5-1988,火力发电厂水工设计技术规定S .Application of ANSYS in Cooling Tower DesignZHENG Fu-ming(Multiaspect Design Branch,Central Southern China Electric Power Design Institute,Wuhan 430072,China Abstract :Hyperbolic cooling t

11、owers are special structures in secondary circulation cooling system.Tall tower must be designed with more than two mechanical models.ANSYS software can be used efficiently in cooling tower structure analysis.This analysis method is used in some projects.The results prove that wind load is most important.Diagonal column section is controlled by axial tension and bending moment.The seismic load must not be compute