基于ANSYS的固有频率的计算

./摘要在化工生产中,分馏塔承受筒体压、自重、风载荷和地震载荷的作用容易产生载荷振动和诱导振动。当振动频率接近于塔的自振频率时,塔就会发生共振、可能导致设备的破坏。因此,如何减小塔设备受风力作用而产生的诱导振动造成严重的危害,提高塔设备的抗振能力都是需要在设计时予以考虑的问题。本论文的题目是"基于ANSYS的柴油分馏塔的固有频率的计算"。本文以柴油分馏塔为研究对象,应用ANSYS有限元软件对设备进行了固有频率的计算,首先采用SHELL63单元建立分馏塔的三维实体模型,然后用自由分网的方法对其进行网格划分,施加约束和载荷,最后应用模态分析功能求解出柴油分馏塔的固有频率和振型。然后利用集中质量法假设把均布质量作为一个与之相当的集中质量放置在塔的顶端,根据动能平衡的原理以及虚梁法可以确定不等截面悬臂梁式柴油分馏塔自振周期。这一结果表明基于ANSYS的有限元法对柴油分馏塔自振周期的计算准确性高,计算方便,为工程上其他复杂模型固有频率的计算提供了方法依据。关键词：ANSYS；柴油分馏塔；固有频率；振型AbstractInchemicalproduction,fractionationtowerwerepronetovibrationandinducedvibrationloadsbeacauseofwithstandingthebodycylinderpressure,deadweight,windloadsandseismicloads.Whenthevibrationfrequencyclosetothetowernaturalfrequency,thetowerresonanceoccurs,whichmayresultinequipmentdamage.Therefore,howtoreducethedamageduetowind-inducedvibrationeffecttoimprovethetower'svibrationcapabilitiesarerequiredtobeconsideredinthedesign.Thethesisis"calculationsofdieseldistillationtowernaturalfrequencyonANSYS",andmainlystudyforthedieseldistillationcolumn.First,IapplySHELL63elementinfiniteelementsoftwareANSYStoestablishthree-dimensionalsolidmodelofdistillationtower,andthentomeshandimposeconstraintsandloading,modalanalysis,andfinallysolvethedieseldistillationtowernaturalfrequenciesandmodeshapes.Thenassumetheuniformqualityasanequivalentconcentratedmassplacedinthetower'stopbasedonLumpedmassmethod,anddeterminethenaturalcycleofdieselfractionatoraccordingtotheprincipleofkineticenergybalanceaswellasvirtualcantileverbeammethod.TheresultsshowthatieselfueldistillationcolumncalculationofthenaturalcyclebasedontheANSYSfiniteelementmethodisofhighaccuracy,easytocalculate,providindamethodofcalculatingthenaturalfrequencyfortheothercomplexmodels.Keywords：ANSYS；Dieselfractionatortower；Naturalfrequencyofvibration；Vibrationmodel目录第1章绪论11.1本课题的研究背景及意义11.2ANSYS软件主要功能11.3ANSYS软件简介21.3.1ANSYS的使用环境2有限元方法简介31.4分馏塔的简介4分馏塔的特点4分馏塔的工作过程41.4.3分馏塔分析计算的条件5第2章分馏塔实体模型的建立62.1实体造型简介62.2ANSYS的坐标系62.3建模的原则82.4建模的步骤8环境设置8初始化设计变量9定义单元类型9定义材料属性：9定义实常数11创建塔的几何模型112.5命令流分析过程14第3章有限元模型的建立173.1基础知识17网格类型17选择实体183.2划分网格19第4章模态分析224.1模态分析224.2模态提取法224.3施加约束254.4施加载荷254.5求解284.6扩展模态284.7模态分析结果294.8后处理29将数据结果读入数据库30图像显示结果数据30查看求解结果31第5章自振周期的理论计算335.1自振周期的影响及振型335.2自振周期的表达式34塔体分段34不等截面塔设备自振周期计算公式355.3自振周期的计算36第6章结论39参考文献40致42附录：外文翻译43.绪论本课题的研究背景及意义露天安置的塔设备在风力作用下,将产生两个方向的振动。一种是由于不恒定的风力直接作用在塔体上,而产生的与风向相同的顺风向振动；另一种是由于风力绕过塔的两侧时形成周期性出现相逸散的旋涡而产生的与风力方向垂直的横风向振动。前一种振动与风速的大小及其变化有关、称为风的载荷振动、是常规计的主要容；后一种振动是根据说体力学理论计算的风的诱导振动。塔设备在风力作用下,当振动频率接近于塔的自振频率时,塔就会发生共振、可能导致设备的破坏。因此,塔设备受风力作用而产生的诱导振动以及如何减小因振动而产生的危害,提高塔设备的抗振能力都是需要在设计时予以考虑的问题。在历史上,由于忽略风对构件的诱导振动而发生过许多意外事故。最典型的事例是美国塔珂玛大桥因风诱发的振动产生共振后而被摧毁；在委瑞拉也曾有一个大贮油罐；因共振而被损伤,至于工业上的烟囱、管道以及换热器的管束因此而受到破坏或产生噪音的事例也时有所见。在考虑塔的振动时应力要求避免发生共振。近年来,随着我国石油、化工、冶金工业的不断发展,作为反应容器的塔设备的也得到了广泛的应用和迅速的发展。随着塔设备使用量的增加,诱发事故的可能性也在增加,因此塔设备的固有频率便成为设计和检验人员特别关注的问题。本文主要讨论风的诱导振动的产生与分析计算塔的自振周期,并使用有限元分析软件ANSYS就柴油分馏塔进行模态分析,求出塔的固有频率。以便更好的探讨塔设备的防振技术。ANSYS软件主要功能ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元软件,可广泛的用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、生物医学、水利、日用家电等一般工业及科学研究。该软件提供了不断改进的功能清单,具体包括：结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分及利用ANSYS参数设计语言扩展宏命令功能。它能与多数CAD软件接口,实现数据的共享和交换,如Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor、I—DEAS、AutoCAD等,是现代产品设计中的高级CAD工具之一。ANSYS软件简介ANSYS软件是由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS公司开发。软件主要包括三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具,用户可以方便地构造有限元模型：分析计算模块包括结构分析<可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析>、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析,可模拟多种物理介质的相互作用．具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示<可看到结构部>等图形方式显示出来,也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。以ANSYS为代表的工程数值模拟软件,是一个多用途的有限元法分析软件,它从1971年的2.0版本与今天的12.0版本已有很大的不同,起初它仅提供结构线性分析和热分析,现在可用来求结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题的解答。它包含了前置处理、解题程序以及后置处理,将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合,已成为现代工程学问题必不可少的有力工具。ANSYS的使用环境1.ANSYS架构及命令ANSYS构架分为两层,一是起始层〔BeginLevel,二是处理层〔ProcessorLevel。起始状态可用来控制某些全局性的问题,如改工作文件名、清除数据库的数据、复制二进制文件等,用户进入ANSYS后即处于起始状态。这两个层的关系主要是使用命令输入时,要通过起始层进入不同的处理器。处理器可视为解决问题步骤中的组合命令,它解决问题的基本流程叙述如下：〔1前置处理〔GeneralPreprocessor,PREP7①建立有限元模型所需输入的资料如节点、坐标资料、元素节点排列次序。②材料属性。③元素切割的产生。〔2求解处理〔SolutionProcessor,SOLU①负载条件。②边界条件及求解。〔3后置处理〔GeneralPostprocessor,POST1或TimeDomainPostprocessor,POST26。POST1用于静态结构分析、屈曲分析及模态分析,将解题部分所得的解答如：变位、应力、反力等资料,通过图形接口以各种不同表示方式把等位移图、等应力图等显示出来。POST26仅用于动态结构分析,用于与时间相关的时域处理。图1-1处理器间的转化2.文件管理ANSYS在分析过程中需要读写文件,文件格式为jobname.ext,其中jobname是设定的工作文件名,ext是由ANSYS定义的扩展名,用于区分文件的用途和类型,默认的工作文件名是file。ANSYS分析中有一些特殊的文件,其中主要的几个是数据库文件jobname.db、记录文件jobname.log、输出文件jobname.out、错误文件jobname.err、结果文件jobname.rxx及图形文件jobname.grph。有限元方法简介1.有限元法的基本构架目前在工程领域常用的数值模拟方法有：有限元法、边界元法、离散单元法和有限差分法,就其广泛性而言,主要还是有限单元法。它的基本思想是将问题的求解域划分为一系列的单元,单元之间仅靠节点相连。单元部的待求量可由单元节点量通过选定的函数关系插值得到。由于单元形状简单,易于平衡关系和能量关系建立节点量的方程式,然后将各单元方程集组成总体代数方程组,计入边界条件后可对方程求解。有限元的基本构成：节点〔Node：就是考虑工程系统中的一个点的坐标位置,构成有限元系统的基本对象。具有其物理意义的自由度,该自由度为结构系统受到外力后,系统的反应。元素〔Element：元素是节点与节点相连而成,元素的组合由各节点相互连接。不同特性的工程统,可选用不同种类的元素,ANSYS提供了一百多种元素,故使用是必须慎重选则元素型号。自由度〔DegreeOfFreedom：上面提到节点具有某种程度的自由度,以表示工程系统受到外力后的反应结果。要知道节点的自由度数,请查看ANSYS自带的帮助文档〔Help/ElementRefrence,那里有每种元素类型的详尽介绍。有限元方法是用于求解工程中各类问题的数值方法。结构强度、刚度分析中的静力、动力、线性或者非线性问题,热传导中稳态、瞬态或者热应力问题,以及流体力学和电磁学中的很多问题都可以用有限元方法解决。2.有限元方法的基本步骤：将实际求解围离散化,即将求解域划分成节点和单元。选择合适的形函数,即选择一个用单元节点解描述整个单元解的连续函数。对每个单元建立单元刚度矩阵。按照一定节点编码顺序,将各个单元刚度矩阵叠加以构造结构整体刚度矩阵。写出以节点自由度〔DOF为未知量的结构整体刚度方程,并将边界条件、初始条件应用到方程中。求解方程组,以得到节点上的自由度值。分馏塔的简介分馏塔的特点〔1该分馏塔结构复杂,体积庞大,塔高,有变径段,最大径为,并且塔上开有人孔和各种物料进出孔。〔2承受载荷复杂。该分馏塔共承受筒体压、自重、风载荷和地震载荷的作用,载荷作用的形式比较复杂。分馏塔的结构简图如图所示。塔上开有人孔和各种物料进出孔。空气以高速气流从底部吹入混合液〔柴油、轻烃中,与混合液发生反应。反应后的气体在上面的出口排出,物料在底部的了料口排出。由于设计温度与环境相差很大,为达到更好的保温效果,分馏塔整体高有保温层。分馏塔的工作过程在炼油生产中,无论是精馏还是吸收、解吸或萃取,其目的都是为了使混合液中不同馏程的组分得以分离。故这些过程都称为分馏过程,所以在炼油厂中使用最多的也就是各种分馏塔,其结构形式以板式塔居多。原油是由许多分子量不同的碳氢化合物组成的混合物,各组分沸点不同,可用精馏的方法将其分为若干馏分,如汽油、煤油、柴油等。先将原油加热至350℃左右,送入常压塔中,使汽、煤、柴都蒸发出来成为油气,余下的液体主要是重质油。高温油气混合物上升经过一层层塔盘,在每层塔盘上和上层塔盘上流下来的较低的液体相接触,油气被冷却稍降一些,其中较重的组分就会被冷凝成液货体从油气中分离出来,同时塔盘上的液体被加热稍增高一些。其中较轻的组分就会蒸发成气体从液体中分离出去。这样每经过一层塔盘油气中的较重组分减少一些,较轻组分增加一些,而液体中较重组分增加一些,较轻组分减少一些,油气不断上升,每经一层塔盘都有这样的变化。于是油气越往上其轻组分越多,重组分越少,直至塔顶。油气的成分就是汽油组分,出塔后冷凝冷却便可得汽油,液体不断下流,每经一层,塔盘也都会有相反的变化,于是液体越往下其重组分越多,轻组分越少,液体来自塔顶回流,即将冷凝下来的汽油抽出一部分再打回塔顶的塔盘上,其不断下流,不断变重,到某一层塔盘时成为煤油组分,一部分抽出来经冷却得到煤油产品,其余的继续下流到某一层塔盘上时成为柴油组分,一部分抽出经冷却后得到柴油产品,剩余的继续下流至塔底流出称为常压渣油。分馏塔分析计算的条件文中的分馏塔主体部分结构和尺寸大致如下：裙座：径为2.2m,高度为3.5m,厚度为0.01m,材料为20R。封头：均为标准椭圆形封头,下封头径为2.2m,上封头同径为1m,厚度为0.01m,材料为20R。筒体：下筒体径为2.2m、高度为23.02m,上筒体径为1m、高度为4m,变径段高度为0.6m,厚度为0.01m,材料为20R。〔2分馏塔的设计条件该分馏塔的设计温度为100,设计压力为1.6Mpa,操作介质是气油、柴油,设备使用当地的基本风压为400Mpa,地震裂度为7度。分馏塔实体模型的建立实体造型简介建立实体模型的两种途径①利用ANSYS自带的实体建模功能创建实体建模。②利用ANSYS与其他软件接口导入其他二维或三维软件所建立的实体模型。2．实体建模的三种方式<1>自底向上的实体建模由建立最低图元对象的点到最高图元对象的体,即先定义实体各顶点的关键点,再通过关键点连成线,然后由线组合成面,最后由面组合成体。<2>自顶向下的实体建模

直接建立最高图元对象,其对应的较低图元面、线和关键点同时被创建。<3>混合法自底向上和自顶向下的实体建模

可根据个人习惯采用混合法建模,但应该考虑要获得什么样的有限元模型,即在网格划分时采用自由网格划分或映射网格划分。自由网格划分时,实体模型的建立比较简单,只要所有的面或体能接合成一体就可以：映射网格划分时,平面结构一定要四边形或三边形的面相接而成。ANSYS的坐标系ANSYS为用户提供了以下几种坐标系,每种都有其特定的用途。全局坐标系与局部坐标系：用于定位几何对象<如节点、关键点等>的空间位。显示坐标系：定义了列出或显示几何对象的系统。③节点坐标系：定义每个节点的自由度方向和节点结果数据的方向。④单元坐标系：确定材料特性主轴和单元结果数据的方向。1．全局坐标系全局坐标系和局部坐标系是用来定位几何体。在默认状态下,建模操作时使用的坐标系是全局坐标系即笛卡尔坐标系。总体坐标系是一个绝对的参考系。ANSYS提供了4种全局坐标系：笛卡尔坐标系、柱坐标系、球坐标系、Y柱坐标系。4种全局坐标系有相同的原点,且遵循右手定则,它们的坐标系识别号分别为：0是笛卡尔坐标系<cartesian>,1是柱坐标系<Cyliadrical>,2是球坐标系<Spherical>,5是Y-柱坐标系<Y-aylindrical>,如图2-1所示。<CS,0>Cattesian<CS,1>Cylindrical<CS,2>Spherical<CS,5>Cylindrical图2-1ANSYS的全局坐标系ANSYS引用坐标系x轴、Y轴、z轴代表不同的意义,笛卡尔坐标系的X轴、Y轴、Z轴分别代表其原始意义；柱坐标系的x轴、Y轴、z轴分别代表径向R、轴向O和轴向Z；球坐标系的X轴、Y轴、z轴分别代表R、O、P。局部坐标系局部坐标系是用户为了方便建模及分析的需要自定义的坐标系,可以和全局坐标系有不同的原点、角度、方向。<1>建立局部坐标系1>通过当前激活的工作平面的原点为中心来建立局部坐标系。①Command方式：CSWPLA,KCN,KCS,PARl,PAR2a．KCN：坐标系编号。KCN是大于10的任何一个编号。b．KCS：局部坐标系的属性。KCS=0时为笛卡尔式坐标系；KCS=1时为柱坐标系；KCS=2时为球坐标系；KCS=3时为环坐标系；KCS=4时为工作平面坐标系；KCS=5时为柱坐标系。c．PAR1：应用于椭圆、球或螺旋坐标系。当KCS=1或2时,PAR1是椭圆长短半径<Y/X>的比值,默认为1<圆>：当KCS=3时,PAR1是环形的主半径。d．PAR2：应用于球坐标系,当KCS=2时,PAR2是椭球Z轴半径与x轴半径的比值,默认为1<圆>。②GUI方式：WorRPlane>LocalCoordinateSystems>CreateLocalCS>AtWPOrigin2>通过已定义的关键点来建立局部坐标系①Command方式：CSKP,KCN,KCS,PORlG,PXAXS,PXYPL,PARl,PAR2a．KCN：坐标系编号。KCN是大于10的任何一个编号。b．KCS：局部坐标系的属性。KCS=0时为笛卡尔式坐标系；KCS=1时为柱坐标系；KCS=2时为球坐标系；KCS=3时为环坐标系；KCS=4时为工作平面坐标系；KCS=5时为柱坐标系。c．PORlG：以该关键点为新建坐标系原点,若该值为P,则可进行GUI选取关键点操作。d．pXAXS：定义x轴的方向,原点指向该点方向为x轴正向。e．PXYPL：定义Y轴的方向,若该点在x轴的右侧,则Y轴在x轴的右侧,反之在左侧。建模的原则本课题利用ANSYS分析软件建立柴油分馏塔的实体模型,包括裙座部分,采用1：1的比例,能够更加真实的模拟设备的结构及工作状态。建模过程中,由于一些局部的小孔对整体的影响不大,故忽略不计,只建立裙座、上下筒体、及封头的立体模型。文中采用由点连线,由线建面,再由面旋转得到体的自下而上的建模方式。由于塔壁厚度远远小于塔的径,可将问题适当简化。SHELL63单元具有弯曲能力和膜力,既能承受平面载荷,也能承受法向载荷,在每个节点处有6个自由度,单元也可有任何的空间定位。SHELL63单元具有刚度、挠度和应力强化等能力在建立有限元模型时,塔采用四节点的SHELL63单元,这样模型在满足精度要求的情况下将得到简化。在建模时先建立塔的关键点,连接关键点得到塔壁线,再通过旋转生成塔的几何模型,然后指定线的划分份数,将塔的几何模型转化为有限元模型；生成分馏塔的模型是通过先生成面单元,然后将面单元延伸成体单元。在有限元计算时,将基础视为刚体,将与基础相连的裙支座单元的x、y、z三个自由度全部约束。建模的步骤环境设置1.启动ANSYS：以交互模式进入ANSYS。设定工作路径F：\ANSYS_Bishe,工作文件名取为TA进入ANSYS界面。2.设置标题：执行UtilityMenu>ChangeTitle命令,弹出ChangeTitle对话框,输入tower,单击OK按钮,关闭对话框。初始化设计变量执行UtilityMenu>Parameters>ScalarParameters命令,弹出ScalarParameters对话框,输入如表2.1所列的参数。表2.1参数表参数参数意义参数参数意义R1=1.1m下筒体半径t=0.01m壁厚R2=0.5m上筒体半径zhuih=0.6m锥段高度qunh=3裙座高度OMEGA=1.5m风激励角速度lowh=2下筒体高度feng1h=0.55m下封头的长半径uph=4上筒体高度Feng2h=0.25m上封头的长半径定义单元类型执行MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete命令,弹出EelementType对话框；单击Add按钮,添加单元,弹出LibraryofElementType对话框。在左侧列表中选择StructuralShell项,在右侧列表中选择Elastic4node63项,如图2-2所示。单击OK按钮,退至ElementType对话框。图2-2单元类型设置对话框定义材料属性：1.执行MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels命令,弹出DefineMaterialModelBehavior对话框；如图2-3所示,在右边的可选材料模型MaterialModelsAvailable框中选择Structural>Linear>Elastic>Isotropic。图2-3定义材料属性对话框2.双击Isotropic标识,弹出LinearIsotropicPropertiesforMaterialNumber1对话框,在EX文本框中输入2e11,PRXY文本框中输入0.28,单击OK按钮确定,关闭该对话框。如图2-4所示。图2-4定义材料的弹性模量和泊松比3.双击Density标识,弹出DensityfotMaterialNumber1对话框,在DENS文本框中输入7.85E3,单击OK按钮确定,关闭该对话框。如图2-5所示图2-5定义材料密度定义实常数执行MainMenu>Preprocessor>RealConstants>Add/Edit/Delete命令,弹出RealConstants对话框,单击Add按钮,选择Type1,单击OK按钮,弹出RealConstantsSetNumber1,forSHELL63对话框,如图2-6所示,在TK〔I位置输入TK〔I=t图2-6定义实常数创建塔的几何模型1.打开关键点、线以及面显示开关：执行UtilityMenu>PlotCtrls>Numbering命令,打开PlotNumberingControls对话框,激活KP、LINE、AREA后面的显示开关为On状态,单击OK按钮确定,如图2-7所示。图2-7PlotNumberingControls对话框2.生成塔壁关键点：执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>InActiveCS命令,设定NPT为1,X,Y,Z为"R1,0,0”图2-8定义关键点对话框3.同理,创建如表2-2所示的关键点表3.2关键点参数表关键点X坐标Y坐标Z坐标关键点X坐标Y坐标Z坐标11.1007031.12021.13.508-0.531.12031.126.520903.5040.527.12010-1.13.5050.531.1201102.9506031.370120004.生成塔壁线：执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>lines>InActiveCoord命令,弹出关键点选取框,选取1、2号关键点,单击Apply按钮,生成直线1；同理,分别选取关键点2和3,3和4,4和5分别生成直线2、3、4单击OK按钮完成。5.生成塔顶线：执行UtilityMenu>Wordplane>changeActiveCSto>GlobalCylindrical后,再执行UtilityMenu>Wordplane>DisplayWorkingplane命令,激活以Y轴为旋转轴的柱坐标系,再执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Splines>SplinesthruKPs命令,选取关键点2和9,单击Apply按钮,单击OK按钮确定,如图2-9所示。图2-9分馏塔的平面模型6.旋转生成分馏塔实体模型：执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Extrude>lines>AboutAxis命令,弹出选取框,输入需要旋转的线"1,2,3,4”,单击Apply按钮,弹出对话框,输入旋转轴关键点"12,6图2-10分馏塔的三维模型命令流分析过程/FILNAM,ta!定义文件名/TITLE,Tower!定义分析的标题FINISH!**********************环境设置***********************SET,R1,1.1!下筒体半径*SET,R2,0.5!上筒体半径*SET,qunh,3.5!裙座高度*SET,lowh,23.02!下筒体高度*SET,uph,4!上筒体高度*SET,t,0.01!壁厚*SET,zhuih,0.6!锥节高度*SET,OMEGA,1.5!风激励角速度*SET,feng1h,0.55!下封头的长半径*SET,feng2h,0.25!上封头的长半径!************************前处理************************/PREP7!****************定义单元类型、材料常数***************ET,1,SHELL63!定义单元类型MP,EX,1,2E11!设置弹性模量MP,PRXY,1,0.28!设置泊松比MP,DENS,1,7.85E3!设置密度R,1,t,t,t,t!设置材料实常数!***********************实体建模************************/PNUM,KP,1/PNUM,LINE,1/PNUM,AREA,1!*********************建立塔的关键点*********************K,1,R1,0,0K,2,R1,qunh,0K,3,R1,qunh+lowh,0K,4,R2,qunh+lowh+zhuih,0K,5,R2,qunh+lowh+zhuih+uph,0K,6,0,qunh+lowh+zhuih+uph+R2/4+t,0K,7,0,qunh+lowh+zhuih+uph,0K,8,-R2,qunh+lowh+zhuih+uph,0K,9,0,qunh,0K,10,-R1,qunh,0K,11,0,qunh-R1/4,0K,12,0,0,0!************************建立塔的线**********************L,1,2L,2,3L,3,4L,4,5L,6,12L,12,1K,12,0,0,0L,1,2L,2,3L,3,4L,4,5L,6,12L,12,1KWPAVE,7!平移工作面到点7CSWPLA,11,1,0.5,1!建立11号局部椭圆坐标系L,5,6CSYS,0!回至笛卡尔坐标系KWPAVE,9!平移工作面到点9CSWPLA,12,1,0.5,1!建立12号局部椭圆坐标系L,2,11CSYS,0!回至笛卡尔坐标系KWPAVE,12!平移工作面到点12!************************旋转生成塔体**********************AROTAT,1,2,3,4,,,6,12,,AROTAT,7,,,,,,6,12,,AROTAT,8,,,,,,6,12,,有限元模型的建立基础知识几何实体模型并不参与有限元分析,所有施加在有限元边界上的载荷或约束,必须最终传递到有限元模型上<节点和单元>进行求解。因此,在完成实体建模之后,要进行有限元分析,需对模型进行网格划分——将实体模型转化为能够直接计算的网格,生成节点和单元。网格类型总的来说,ANSYS的网格划分有两种：自由网格划分<Freemeshing>和映射网格划分<Mappedmeshing>,如图3-1所示。自由网格划分主要用于划分边界形状不规则的区域,它所生成的网格相互之间是呈不规则排列的。对于复杂形状的边界常常选择自由网格划分。自由网格对于单元形状没有限制,也没有特别的应用模式。缺点是分析精度往往不够高。与自由网格划分相比较,映射网格划分对于单元形状有限制,并要符合一定的网格模式。映射面网格只包含四边形或三角形单元,映射体网格只包含六面体单元。映射网格的特点是具有规则的形状,肆元明显地成行排列。<a>自由网格<b>映射网格图3-1自由网格和映射网格一般来说映射网格往往比自由网格划分得到的结果要更加精确,而且在求解时对CPL和存的需求也相对要低些。如果用户希望用映射网格划分模型,创建模型的几何结构必须由一系列规则的体或面组成,这样才能应用于映射网格划分。因此,如果确定选择映射网格,需要从建立几何模型开始就对模型进行比较详尽的规划,以使生成的模型满足生成映射网格的规则要求。ANSYS支持的单元形状与网格类型见表3.1。表3.1ANSYS支持的单元形状与网格单元形状是否可以自由划分是否可以映射划分自由划分映射划分都行三角形是是是四边形是是是四面体是否否六面体否是否选择实体1．实体类型运行选择实体的操作命令GUI：UtilityMenu>Select>Entities,弹出实体选择对话框。实体类型包括Nodes、Elements、Volumes、Areas、Lines、Keypoints。2．选择准则选择准则与实体类型有关,不同的实体对应不同的选择准则。节点选择准则：ByNum/Pick项,通过实体号或通过拾取操作进行选择。Attachedto项,通过实体的隶属关系进行选择。ByLocafion项,根据X,Y,Z坐标位置选择。ByAttributes项,根据材料号、实常数号等进行选择。Exterior项,选择模型外边界的实体。⑥ByResults项,根据结果数据选择。选择方式

选择实体的方式有七种。各项的含义为：FromFull项,从整个实体集中选择一个子集,阴影部分表示活动子集。Reselect项,从选中的子集中再选择一个子集,逐步缩小子集的选择围。AlsoSelect项,在当前子集中添加另外一个不同的子集。Unselect项,从当前子集中去掉一部分,与Reselect的选择刚好相反。SelectAll项,恢复选择整个全集。SelectNone项,选择空集。⑦Invert项,选择当前子集的补集。划分网格1.为划分塔的几何模型,使之成为能用于计算的有限元模型,先选定各条线然后设定各线的划分份数：执行UtilityMenu>Select>Entities命令,弹出SelectEntities对话框,依次设定选择模式为：Lines、ByLocation、Ycoordinates、FromFull,在Min,Max处输入0,单击Apply按钮,如图3-2所示。同理,将FromFull改变为AlsoSelect,在Min,Max处填qunh,单击Apply按钮,得到选取的第二条线；再分别在Min,Max处填qunh、qunh+lowh、qunh+lowh+uph,每次输入后均需要单击Apply按钮。选择完线之后单击OK按钮完成。图3-2选择线对话框2.设定上步选择的线的划分份数：执行MainMenu>Preprocessor>Meshing>SizeCntrls>ManualSize>Lines>AllLines命令,弹出设置线的划分份数对话框ElementSizesonAllSelectedLines,在NDIV中填入12,单击OK按钮。3.激活以y轴为旋转轴的柱坐标系：执行UtilityMenu>Workplane>ChangeActiveCSto>GlobalCylindricalY命令。4.参照建立塔的有限元模型的步骤1,以坐标选取直线：执行UtilityMenu>Select>Entities命令,在弹出的对话框中设定选择模式Lines、ByLocation、Xcoordinates、FromFull,在Min,Max处填入"qunh+0.001,qunhh+lowh+zhuih+uph+0.001”,单击Apply按钮,得到选取的第二条线；在Min,Max处填入qunhh+lowh+0.001,qunhh+lowh+zhuih+uph+0.001,5.设定Step4选择的线的划分份数：重复执行Step2,设定NDIV为12。6.选择线用于划分网格：执行UtilityMenu>Select>Entities命令,设定选择模式Lines、ByLocation、Xcoordinates、FromFull,在Min,Max处填入"qunhh+lowh+0.001,qunhh+lowh+zhuih+uph+0.001”7.设定Step6选择的线的划分份数：重复执行Step2,设定NDIV为12。8.选择线用于划分网格：执行UtilityMenu>Select>Entities命令,设定选择模式Lines、ByLocation、Xcoordinates、FromFull,在Min,Max处填入"qunhh+lowh+0.001,qunhh+lowh+zhuih+uph+0.001”9.设定Step6选择的线的划分份数：重复执行Step2,设定NDIV为12。图3-3设置分网尺寸10.全选择：执行UtilityMenu>Select>Everything命令,选中所有的元素。11.选择要划分的面：执行UtilityMenu>Select>Entities命令,弹出SelectEntities对话框中设定选择模式Lines、ByLocation、Xcoordinates、FromFull,在Min,Max处填入"qunhh+lowh+0.001,qunhh+lowh+zhuih+uph+0.001”12.指定将要划分单元的属性：执行MainMenu>Preprocessor>Meshing>MeshAttributes>DefaultAttribs命令,REAL指定为1,默认情况下TYPE为1SHELL63,MAT为1。13.指定网格划分方式：执行MainMenu>Preprocessor>Meshing>MeshOpts命令,在MSHKEY对应的Map前打勾,单击OK按钮,弹出选择单元形状对话框,2D选择Quad,3D选择HEX,单击OK按钮完成。14.划分网格：执行MainMenu>Preprocessor>Meshing>Mesh>Areas>确Mapped>3or4sided命令,弹出元素选取对话框,单击PickAll按钮,完成网格划分。结果如图3-4所示。图3-4分网后的塔模型模态分析模态分析模态分析是用来确定结构振动特性的一种技术,通过它可以确定结构的自振频率<也叫固有频率>和振型,自振频率和振型是结构的重要动力参数。进行模态分析可以使结构设计避免共振或以特定频率进行振动,使工程师认识到结构对于不同类型的动力载荷是如何响应的,有助于在其他动力分析中估算求解控制参数。模态分析也是进一步进行结构动力分析的基础。其他的结构动力学分析,例如瞬态动力学分析、模态叠加法谐响应分析和谐分析都涉及到模态分析。由于结构的振动特性决定于结构对于动力载荷的响应情况,所以在准备进行其他动力分析之前,首先要进行模态分析。模态分析可定义为对结构动态特性的解析分析和实验分析,其结构动态特性用模态参数来表示。它是用于机械系统、土建结构等工程系统进行动力学分析的现代化方法和手段,随着模态分析专题研究围的不断扩展,从系统识别到结构灵敏度分析以及动力修改等,模态分析技术已被广义的理解为包括力学系统动态特性的确定以及与其应用有关的大部分领域。ANSYS可以对包含预应力的结构进行模态分析,也可以对循环对称结构进行模态分析,即建立循环对称结构的部分模型来对整个结构进行模态分析。但是ANSYS中的模态分析是一个线性算法,任何非线性因素,例如塑性材料属性和大变形效应,即使定义了也会被ANSYS忽略。ANSYS提供了7种模态提取的方法：子空间方法、分块Lanczos方法、PowerDynamic方法、缩减法、非对称方法、阻尼法和QR阻尼法,其中阻尼法和QR阻尼法可以考虑结构的阻尼效应。模态提取法1．分块Lanczos法分块Lanczos法特征值求解器是默认求解器,它采用Lanczos算法,是用一组向量来实现Lanczos递归算。这种方法和子空间法一样精确,但速度更快。无论EQSLV命令指定过问种求解器进行求解,分块Lanczos法都将自动采用稀疏矩阵方程求解器。计算某系统特征值谱所包含一定围的固有频率时,采用分块Lanczos方法提取模念特别有效计算时,求解从频率谱中间位置到高频端围的固有频率时的求解收敛速度和求解低阶频率时几乎—样快。因此,当采用偏移频率<FREQB>来提取从FREQB<起始频率>开始的n阶模态时,该法提取大于FREQB的n阶模态和提取n阶低频模态的速度基本相同。2．子空间法子空间法使用于空间迭代技术,它部使用广义Jacobi迭代算法。由于该方法采用完整的矩和阵,因此精度很高,但是计算速度比缩减法慢。这种方法经常用于对计算精度要求高,但无法选择主自由度<DOF>的情形。做模态分析时如果模型包含大量的约束方程,使用于空间法提取模态时应当采用波前<front>求解器,不要采用JCG求解器；或者是使用分块Lanczos法提取模态。当分析中存在大量的约束方程时,如果采用JCG求解器组集部单元刚度,致使计算要求有很大的存才能进行下去。3．PowerDynamics法PowerDynamics法法部采用子空间迭代汁算、但采用PCG迭代求解器。这种方法明显地比子空间法和分块Lanczos法快。但是,如果模型中包含形状较差的单元或病态矩阵时可能出现问题不收敛。该法特别适用于求解超大模型<大于100000个自由度>的起始少数阶模态。谱分析不要使用该方法提取模态。PowerDynamics法不进行Sturm序列检查<不检查模态遗漏问题>．这可能影响有多个重复频率问题的解。此法总是采用集中质量近似算法,即自动采用集中质量矩阵<LUMPM,ON>。注意：如果用PowerDynamics法求解含刚体运动的模型的模态,则一定要用RIGID命令或选择等效的GUI途径。4缩减法缩减法采用HBI算法<Householder二分—逆迭代>来计算特征值和特征向量。由于该方法采用一个较小的自由度子集即主自由度<DOF>来计算,因此计算速度更快。主自由度<DOF>导致计算过程中会形成精确的[K]矩阵和近似的[M]矩阵<通常会有一些质量损失>因此,计算结果的精度将取决于质量矩阵[M]的近似程度,近似程度又取决于主自由度的数目和位置。5．非对称法非对称法也采用完整的和矩阵,适用于刚度利质量矩阵为非对称的问题<例如声学中流体一结构耦合问题>。此法采用Lanczos算法,如果系统是非保守的<例如轴安装在轴承上>,这种算法将解得复数特征值和特征向量。特征他的实部表示固有频率,虚部是系统稳定性的量度——负值表示系统是稳定的,而正值表示系统是不稳定的。该方法不进行Strum序列检查,因此有可能遗漏一些高频端模态。常用于声学<与结构耦合>及其他非对称刚度和质量矩阵的应用场合。6．阻尼法阻尼法用于阻尼不能被忽略的问题,如转子动力学研究。该法使用完整矩阵<[K]、[M]及阻尼阵[C]>。阻尼法采用Lanczos算法计算得到复数特征值和特征向量。此法个进行Strrm序列检查。因此,有可能遗漏提取频率的一些高频段模态。7．QR阻尼法QR阻尼法同时具有分块Lanczos法与复Hessenberg法的优点,最关键的思想是,以线件合并无阻尼系统少量数目的特征向量近似表示前几阶复阻尼持征值。采用实特征值求解<分块Lanczos法>无阻尼振型之后,运动方程将转化到模态坐标系。然后,采用QR阻尼法,该方法能够很好地求解大阻尼系统模态解,阻尼可以是任意阻尼类型,即无论是比例阻尼或非比例阻尼。由于该方法的算精度取决于提取的模态数目,所以建议提取足够多的基颊模态、特别是阻尼较大的系统更应当如此,这样才就保证得到好的计算结果。该方法不建议用于提取临界阻尼或过阻尼系统的模态。该方法输出实部和虚部特征值<频率>,但仅仅输出实特征向量<模态振型>。表4—1模态提取方法模态提取法适用围分块Lanczos法默认提取方法,用于提取大模型的多阶模态<40阶以上>建议在模型中包含形状较差的实体和壳单元时采用此法最适合于由壳或壳与实体组成的模型速度快,但要求比子空间法存多50％子空间法用于提取大模型的少数阶模态<40阶以下>适合于较好的实体及壳单元组成的模型可用存有限时该法运行良好稳定但较慢,需要大量硬盘空间对约束方程、刚体模态有困难PowerDynamics法用于提取大模型的少数阶模态<20阶以下>适合于100K以上自由度模型的特征值快速求解对于网格较粗的模型只能得到频率近似值复频情况时可能遗漏模态模态分析不能用于后续的谱分析和PSD分析缩减法用于提取小到中等模型〔小于10K自由度的所有模态选取合适主自由度时可获取大模型的少数阶〔40阶以下此时频率计算的精度取决于主自由度的选取速度快施加约束1.选择要施加约束的结点：执行UtilityMenu>Select>Entities命令,弹出SelectEntities对话框,设定选择模式Lines、ByLocation、Xcoordinates、FromFull,在Min,Max处填入"outlet_h+low_h+0.001,outlet_h+low_h+up_h+0.001”2.施加约束：执行MainMenu>Preprocessor>Loads>DefineLoads>Applly>论Structural>Displacement>OnNodes命令,单击PickAll按钮,弹出ApplyU,ROTonNodes对话框,选中UX、UY、UZ,单击OK按钮确定,完成施加约束,如图4-1所示。图4-1施加约束3.全选择：执行UtilityMenu>Select>Everything命令,选中所有的元素。4.显示并保存有限元模型：执行UtilityMenu>Plot>Elements命令,显示单元；执行UtilityMenu>PlotCtrls>PanZoomRotate命令,弹出Pan-Zoom-Rotate对话框,单击Iso,再单击Close按钮。经过以上操作后完成了模型的建立,为方便以后的使用,需要保存有限元计算模型,执行UtilityMenu>File>Saveas命令,取名为model.db。施加载荷1.设置分析类型：执行MainMenu>Solution>AnalysisType>NewAnalysis命令,弹出NewAnalysis对话框,选中Modal,单击OK按钮,如图4-2所示。图4-2指定分析类型2.设置模态分析选项：执行MainMenu>Solution>AnalysisType>AnalysisOptions命令,弹出模态分析选项设置框,选择Subspace方法,No.ofmodes设为10,NMODE设为10,Elcalc选择Yes,LUMPM选择Yes,然后单击OK按钮,如图4-3所示；单击OK按钮之后出现SubspaceModalAnalysis对话框,在FREQE处输入10,单击OK按钮完成图4-3模态分析的设置3.设置重力加速度：执行MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Inertia>Gravity>GlobaL命令,设定ACELX、ACELY,ACELZ分别为0、9.8、0,单击OK按钮完成,如图4-4所示。图4-4设置加速度对话框求解1.执行UtilityMenu>Select>Everything命令,选中所有的元素。2.执行MainMenu>Solution>Solve>CureentLS命令,开始计算；弹出Solutionisdone!对话框时,求解结束。图4-5求解完成提示对话框扩展模态执行MainMenu>Solution>LoadStepOpts>Expansion>ExpandModes命令。图4-6扩展模态对话框模态分析结果单击菜单Main>GeneralPostproc>ReadResults>ResultsSummary图4-7自振周期求解表后处理对模型进行有限元分析后,通常需要对求解结果进行查看、分析和操作。检查并分析求解的结果的相关操作称为后处理。用ANSY$软件处理有限元问题时,建立有限元模型并求解后,并不能直观地显示求解结果,必须用后处理器才能显示和输出结果。检查分析结果可使用两个后处理器：通用后处理器POSTl和时间历程后处理器POST26。输出形式可以有图形显示和数据列表两种。一、通用后处理器POST1

这个模块用来查看整个模型或者部分选定模型在某一个时刻<或频率>的结果。对前面的分析结果能以图形、文本形式或者动画显示和输出,如各种应力场、应变场等的等值线图形显示、变形形状显示以及检查和解释分析的结果列表。另外还提供了很多其他功能,如误差估计、载荷工况组合、结果数据计算和路径操作等。进入通用后处理器的路径为GUI：MainMenu>GeneralPostproc。将数据结果读入数据库要想查看数据,首先要把计算结果读入到数据库中。这样,数据库中首先要有模型数据<节点和单元等>。若数据库中没有数据,需要用户单击工具栏上的"KESUMDB"按钮<或输XRESUME命令,或GUI菜单路径：UtilityMenu>File>ResumeJobname．db>读取数据文件Jobname.db．数据库包含的模型数据应与计算模型相同,否则可能会无法进行后处理。默认情况下,ANSYS会在当前工作目录下寻找以当前工作文件命名的结果文件,若从其他结果文件中读入结果数据,可通过如下步骤选定结果文件。运行MainMenu>GeneralPostproc>Data&FileOpts命令,弹出DataandFileOptions<数据和文件选项>对话框。在此对话框中选择后处理中将要显示或列表的数据,如节点/单元应力、应变。此外,还要选择包含此结果的数据文件,对于结构分析模型,选择*rst文件,单击OK按钮则所选择的文件读入到数据库。对话框中各参数的意义如下。<1>Datatoberead项,选择要分析的结果。一般采用默认值Allitems或Basicitems。<2>Resultsfiletoberead项,在文本框中输入将要读入的结果文件名,或单击文本框右侧的[…]按钮选择将要读入的结果文件。<3>一旦模型数据已经存在于数据库中,执行GUI：MainMenu>GeneralPostproc>ReadResults命令,可将结果文件读入数据库。图像显示结果数据POSTl具有强大的图形显示能力,所需结果存入数据库后,可以将读取的结果数据通过不同的形式用图形直观地显示出来。<1>等值线显示等值线显示表现了结果项<如应力、变形等>在模型上的变化,它用不同的颜色表示结果的大小,具有相同数值的区域用相向的颜色表示。因此通过等值线显示,可以非常直观地得到模型某结果项的分布情况。<2>变形后的形状显示在结构分析中可用它观察在施加载荷后的结构变形情况,显示变形的方式有三种选项：①DefShapeonly项,仅显示变形后的形状。②Def+undeformed项,显示变形前后的形状。③Def+underedge项,显示变形后的形状及未变形的边界。<3>矢量显示矢量显示可用箭头显示模型牛某个矢量大小和方向的变化。结构分析中的位移、转动、主应力等都是矢量。<4>路径显示路径图是显示某个变量<例如位移、应力、温度等>沿模型上指定路径的变化图。沿路径还可以进行各种数学运算,得到一些非常有用的计算结果。但是仅能在包含实体单元<二维或三维>或板壳单元的模型中定义路径,对仅包含一维单元的模型,路径功能不可用。以图形方式观察结果沿路径的变化或者沿路径进行数学运算需要遵从以下步骤：①定义路径属性。②定义路径点。③沿路径插值<映射>结果数据。④显示结果。一旦把结果影射到路径上,可用图像显示或列表显示方式观察结果沿定义的路径变化情况,也可以执行算术运算。查看求解结果1.选择分析对象,首先显示搅拌轴的第一阶模态。MainMenu→GeneralPostproc→ReadResults→FirstSet2.对彩色云图显示进行设置。MainMenu→GeneralPostproc→PlotResults→ContourPlot→NodalSolu系统弹出彩色云图显示对话框,如图4-8所示。图4-8塔的模态彩色云图3.要查看高一阶的振型,单击菜单Main>GeneralPostproc>ReadResults>NextSet,这将读入高一阶振型的数据。然后单击菜单Main>GeneralPostproc>ReadResults>FirstSet>DeformedShape在弹出的对话框中选择Def+undefedge选项,得到如图所示的塔振型如图4-9所示。图4-9振型图自振周期的理论计算自振周期的影响及振型在分析直立塔设备的振动时,一般情况下,为了简化起见,不考虑平台、外部管线及地基的影响。而只是将塔设备看成为底端固定、顶端自由、质量沿高度连续分布的悬臂梁。当静载荷作用于构件时,其质量不产生惯性力,或者说此时的惯性力与该静载荷相比是极其微小时。因此,静载荷不会使构件产生振动。然而,动载荷的作用则不然,它会使构件的质量产生较大的惯性力,从而使结构发生振动。在动载荷作用下,构件的力和变形,不公与载荷的大小有关,还与载荷的作用方式、载荷的变化规律,以及构件的动力特性等有关。有时动载荷并不大,却会使构件产生很大的力及变形；反之,有时很大的动载荷,所产生的力及变形却可能很小。事实上,我们经常所见的载荷几乎都是动载荷。只不过我人将某些动载荷当作静载荷来处理。当动载荷的变化很慢或其变化的周期大于构件自振周期的五六倍时,按照静载荷计算不会产生多大误差,而且计算可大为简化。由于解动载荷问题要比解静载荷问题复杂和困难得多,人们常将动载荷的最大值当作静载荷,用静力学的方法算出构件的位移〔静力变形及力〔静力力。若能知道动载荷作用下构件的最大变形〔动力变形或最大力〔动力力、与静力变形或静力之比〔称为动力系数,就可使动载荷问题的求解变得容易了。在塔设备的风载荷和地震的计算中,都用这种方法。在动载荷作用下,构件各截面的变形及力的最大值〔或动力系数值,与构件的自由振动周期〔或频率及振动在形式有密切关系。因此,在计算塔设备的风载荷和地震载荷之前,必须求出其自振周期。从结构动力学知,塔设备是一个具有无限个自由度的体系,因此它具有无限多个自振频率〔或周期,其中最低的自振频率称为第一频率或称基本频率,然后按从低到高的顺序分别称为第二自然频率,第三自然频率,……或统称为高频率。对应于任一自然频率,体系中各质点的振动位移之间存在着确定的比例关系,形成一定的曲线形式,称为振型。体系有几个自由度,就有几个频率和振型。相应于频率为,,,……的振型。依次称为第一振型〔或基本振型、第二振型、第三振型、……塔设备的振型如图5-1所示,第一振型为1/4波,第二振型为3/4波、第三振型为5/4波,第n振型为波。由基本频率求得的周期为基本周期,由高频率求得的周期分别为第二振型周期,第三振型周期,第n振型周期,或统称为高振型周期。<a>第一振型<b>第二振型<c>第三振型图5-1塔设备的振型一般来说,体系中任一质点的振动,都是很复杂的合成振动.因此,要计算塔设备各振型的频率<或周期>并非易事。为此,计算塔设备的自振周期时,往往要作出许多假设,以便用简单产方法取得足够精确的计算结果。自振周期的表达式塔器自振周期的计算方法很多,如解析法、折算质量法、广义坐标法及有限元法等。《钢制塔式容器》中,对等直径等壁厚的塔器采用解析法,对不等直径或不等壁厚的塔器采用质量法近似求解。塔体分段用矩阵传递法求塔体自振周期时,要求将塔器由塔顶至底分为几段等直梁。分段的原则主要是保证每段的质量和刚度是连续的。因此,裙座〔包括高于3000mm且直径大于3000mm的钢筋混凝土框架基础、同材质同温度等直径等壁厚的圆筒体、过渡段、〔包括锥形过渡段、半球形过渡段、重叠过渡段、设备法兰及中间封头等要独立分段。裙座筒体段计入裙座段,偏心载荷计入其同标高的壳体段。不等直径或不等壁厚塔器不是连续弹性体,其各段的截面抗弯刚度不同。因此,不能象等截面等壁厚塔器那样直接利用式求其固有周期和主振型。但它的质量和风度是分段连续的,如图5-2所示。<a>实梁及实载荷 <b>虚梁及载荷图5-2虚梁载荷图不等截面塔设备自振周期计算公式〔1第一振型周期由《过程设备设计》得不等直径的塔设备自振周期的计算公式为〔5.1式中—塔设备第段集中质量距地面的高度,—第段塔节的质量—第段塔节材料在设计温度下的弹性模量,20R材质弹性模量Pa—第段塔节底部截面至塔顶的距离,—塔设备高度—第段塔节形心轴的惯性矩,对于圆柱形塔节,；对于圆锥形塔节,—圆锥形塔节大端直径—圆锥形塔节小端直径—第段塔节的有效厚度〔2第二振型周期根据振动理论计算,对于质量均匀分布的等截面悬臂梁,其第二振型的自振周期为：〔5.2由此得第一振型周期与第二振型自振周期之比为：即此比值对不均布质量和不等截面的悬臂梁来说,变动不大,故一般采用式从第一振型的自振周期来计算第二振型的自振周期,至于更高振型的自振周期在通常计算中很少遇到。自振周期的计算〔1封头质量查得DN1000mm,壁厚10mm的椭圆形封头的质量为94.24kg,DN22000mm,壁厚12mm的椭圆形封头的质量为424.21kg。〔2筒体质量上筒体总高度=4m上筒体质量kg下筒体总高度=23.02m下筒体质量kg〔3锥节质量锥节高度=0.6m锥节质量kg〔4裙座质量裙座高度=3.5m裙座质量kg〔5第一塔节的质量：=+=1090kg第二塔节的质量：=238kg第三塔节的质量：=12546kg第四塔节的质量：=+=2332kg所以,自振周期的计算表如下：表5.1自振周期计算表=1090=238=12546=2332=4=0.6=23.02=3.5=29.12=26.82=15.01=1.75=0.004=0.012=0.042=0.418====将上表数据代入式〔5.1得：s结论本次研究利用ANSYS有限元软件,经过建模、加载、进行模态分析求解等过程,计算出了柴油分馏塔的固有频率。然后用理论计算方法再次对柴油分馏塔的自振周期进行了计算,得出了较为接近实际值的计算结果。其中,应用ANSYS有限元法求得的前5阶自振周期分别为0.9755s,1.0028s,1.0129s,2.5286s,2.5492s应用理论计算法求得的柴油分馏塔一阶自振周期为0.948s。以一阶临界转速为主要考察对象,ANSYS有限元软件计算法相对于理论公式计算法的偏差为2.8%,二者十分接近。以上结果表明,应用ANSYS有限元分析软件来计算柴油分馏塔的固有频率准确可靠,计算结果接近于实际值,为工程实践提供了有效的方法依据。对于工程中不宜采用解析法计算,也不宜采用实验法测量的化工设备,应用ANSYS有限元软件能够有效地求解其自振周期,而且这种方法容易实现,结果较为准确,值得推广。参考文献[1]商跃进主编．有限元原理与ANSYS应用指南．清华大学,2005．[2]胡仁喜,王庆五,闫石．ANSYS8.2机械设计高级应用实例．机械工业,2005．[3]倪栋,段进,徐久成．通用有限元分析ANSYS7.0实例精讲．电子工业,2003．[4]健,根栓.基于ANSYS的悬挂式塔的模态分析.石油化工大学学报.[5]詹有福.化工设备机械基础课程设计指导书.

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