方形塔的有限元分析

方形塔的有限元分析王强;高思;王庆国;杨春明;尹权;郭志英【摘要】ThefiniteelementanalysissoftwareANSYSwasusedtoproposeaparametricmodelandanalysisforfourcornerstoweroffeedtank.Consideringthemultiformworkconditionloadofinternalpressure,liquidstaticpressure,windloadandseismicload,implementoptimumwasdesignedforstructureofflathead.Accordingtomomentofflexionaboutbearingringflat-plate,thesizeandquantitiesforfoundationboltwerecounted.Thestrengthcalculationofthewholeequipmentwascompleted,whichlaidafoundationforfurtherdetaileddesignandmanufacture.Theresultsshowthatproductionwasofcertainguidingmeaningforthefourcornerstowerengineeringdesign.%应用ANSYS有限元分析软件,考虑设备承受的内压、液柱静压力、风载荷以及地震载荷等多种工况载荷,对原料储斗方形塔进行了有限元参数化建模与分析,并对平盖结构进行了优化设计,确定了底部支撑基础环板上地脚螺栓的尺寸和数量,完成了对整台设备的强度计算,为进一步进行详细设计及制造奠定了基础.研究结果对方形塔的工程设计具有一定的指导意义.【期刊名称】《辽宁石油化工大学学报》【年(卷),期】2016(036)001【总页数】6页(P46-51)关键词】方形塔;风载荷;地震载荷;模态分析;有限元分析【作者】王强;高思;王庆国;杨春明;尹权;郭志英【作者单位】中航黎明锦西化工机械（集团）有限责任公司,辽宁葫芦岛125001;中航黎明锦西化工机械（集团）有限责任公司,辽宁葫芦岛125001;中航黎明锦西化工机械（集团）有限责任公司,辽宁葫芦岛125001;中航黎明锦西化工机械（集团）有限责任公司,辽宁葫芦岛125001;中航黎明锦西化工机械（集团）有限责任公司,辽宁葫芦岛125001;中航黎明锦西化工机械（集团）有限责任公司,辽宁葫芦岛125001【正文语种】中文【中图分类】TH49塔式容器是化工装置所使用的容器中常见的一种结构形式的容器，随着化工装置向大型化发展，塔式容器也日益大型化，其结构形式需要适应行业发展的要求。塔式容器属于高耸结构，它承受的载荷除压力、温度载荷外，尚有风载荷、地震载荷与重力载荷等。在压力较低时（包括内压或外压），风载荷（包括顺风向载荷和横风向载荷）或地震载荷（包括水平地震力和垂直地震力）成为塔器安全运行时所承受的主要载荷［1］。压力容器强度计算软件SW6-2011中的塔器部分只适用于圆柱形塔，对本文涉及的方形塔式容器无法进行强度计算。因此，本文在NB/T47041—2014《塔式容器》及JB4732—1995（2005年确认）《钢制压力容器一分析设计标准》的基础上，利用ANSYS软件分别对承受内压、内压与风载荷以及内压与地震载荷等三种工况下的塔式容器进行了有限元分析。原料储斗为方形容器，由平盖组件、方形筒体、天方地圆以及T型钢、工字钢等组成。主体材料为Q345R，设备总高为25050mm，长度和宽度分别为6000、5400mm。其尺寸及结构简图如图1所示。原料储斗的设计参数见表1。原料储斗的材料参数见表2。1.3计算工况计算工况见表3。在应力分析过程中对模型进行了简化，忽略了罐体上各种小开口的存在。简化模型既不影响计算结果的准确性，又可大大简化计算的工作量。在分析过程中，采用两种单元类型进行计算，对筒体外圈含T型钢与筋板部分采用壳单元建模，平盖及其上的接管部分采用实体单元建模［2］。壳单元采用四边形网格，单元类型为shell181单元，实体单元采用六面体网格［3］，单元类型为8节点三维实体Solid185单元，以罐体轴向方向为Z轴，按照右手定则建立直角坐标系⑷。其有限元模型如图2-3所示。原料储斗在实际操作中受到内部介质及操作平台等重力的作用，因此需将塔体所受的总质量等效折算到塔体的密度上。其计算方法如下：式中，P钢=7.85x10-6kg/mm3;Mo为设备的净质量，kg，设备包括框架、筒体及操作平台；M介为充装介质的质量，kg。在壳单元模型中，应考虑设计压力及液柱静压力，还应考虑风载荷及地震载荷。根据塔的高度，将塔体沿高度分为3段，塔段高度Li<10m(L1=8650mm,L2=7750mm,L3=7600mm)；将重力、风载荷、地震载荷视为作用于每个塔段中部的集中力。竖直施加重力载荷，水平施加风载荷与地震载荷。根据JB4732—1995，风载荷与地震载荷不能同时加载［5］。在平盖组件的实体单元模型中，只考虑设计压力。3.2.2地震载荷的计算对高径比L/D=25050/5400=4.63<5的塔式容器，不考虑垂直地震力的影响，也不考虑高振型的影响。根据NB/T47041—2014《塔式容器》附录E，设备总水平地震力按式(3)及式(4)进行计算。水平地震力相关参数及计算结果见表5。式中，FE为设备总水平地震力，N;F1k为集中质量mk引起的基本振型水平地震力，N;a1为塔式容器基本振型周期T1的地震影响系数；mk为集中于质点k的操作状态的质量，kg；mi为集中于质点i的操作状态的质量，kg；hk为集中于质点k的计算高度，mm；hi为集中于质点i的计算高度，mm；m0为塔式容器的操作质量，kg；g为重力加速度，本文取g=9.81m/s2。3.3模态分析通过模态分析可以确定一个结构的固有频率和振型，固有频率和振型是承受动态载荷结构设计中的重要参数。研究计算模态的特性，运用前期编制宏文件中的命令流程序计算模型的模态解，确定模型的振动周期、基本振型的参数，可为进一步研究塔式容器的动力学响应奠定基础。利用ANSYS模态分析的BlockLanczos法，求出原料储斗的前10阶振型及其响应频率，结果见表6[7]。由于原料储斗的高度与直径满足H/D=25050/5400=4.64v15的条件，所以计算地震与风载荷时只考虑模型一阶基本振型与固有频率的影响。由表6得到一阶自振周期为：T1=1/0.46527=2.149s。三种工况下的边界条件图如图4所示，应力分布云图如图5所示，位移分布云图如图6所示。从图5可以看出，三种工况下应力变化规律相同，最大值出现在上下筒体的交界处。只承受内压工况下应力最大，为322.297MPa，风载与地震载荷下的应力相差不大，内压+地震载荷工况下应力最小。从图6可以看出，在三种工况下位移变化规律相同，最大值出现在上下筒体的交界处，上段筒体周边区域的位移最小，为0；只承受内压的工况下位移最大，为9.23771mm，风载与地震载荷下位移相差不大，内压+地震载荷工况下位移最小根据NB/T47041—2014《塔式容器》地脚螺栓承受的最大拉应力公式式(91)及地脚螺栓的螺纹根径公式式(92)进行计算，得出，d1=46.16+3.00=49.16，所取地脚螺栓的规格为M56x5.5,共取24个。计算结果见表7。在分析过程中，通过APDL语言编写命令流的方法对平盖部分进行了结构优化设计［8］。最初，平盖上端未用工字钢加强时，平盖的厚度为70mm，而本研究平盖上端用工字钢加强后，平盖的厚度为30mm，有效地节约了材料成本。平盖组件的应力分布云图如图7所示，其应力线性化结果均满足强度要求［9-10］。工字钢的应力分布云图如图8所示，最大等效应力(VonMises)为617.443MPa，大于345MPa，但其结构的整体应力强度未超过型钢的屈服极限。原料储斗在三种工况下的整体最大合成应力均