干式气柜结构的有限元分析
2015/10/29 9:25:41 点击： 文章来源：www.jshhcc.com
0 前言
随着冶炼行业的发展 ．气柜在我国得到了越来越广泛的应用 ，同时气柜的设计水平也逐步趋于成熟 。有 限元 分析 是 目前最 准 确 、水 平 最高 的 一种 仿真计算方法 。由于气柜体积庞大 ，杆件众多 ，结构复杂 ．要想迅速地建立计算分析模型进行不同工况的计算分析 ，就一定要掌握灵活的建模和计算简化方 法 。本 文 重点 研 究 如 何利 用 ANSYS有 限元 分 析软件灵 活快捷 地对 大型气柜整体结构进 行计算分析 ，达到计算简化 、科学合理 、数值模拟接近实际和节约成本 、提高效率的目的。
随着冶炼行业的发展 ．气柜在我国得到了越来越广泛的应用 ，同时气柜的设计水平也逐步趋于成熟 。有 限元 分析 是 目前最 准 确 、水 平 最高 的 一种 仿真计算方法 。由于气柜体积庞大 ，杆件众多 ，结构复杂 ．要想迅速地建立计算分析模型进行不同工况的计算分析 ，就一定要掌握灵活的建模和计算简化方 法 。本 文 重点 研 究 如 何利 用 ANSYS有 限元 分 析软件灵 活快捷 地对 大型气柜整体结构进 行计算分析 ，达到计算简化 、科学合理 、数值模拟接近实际和节约成本 、提高效率的目的。
1 气柜结构概述
本文以某设计单位 20000m3干式柔性橡胶布帘式密封气柜为研究对象。有关设计参数如下 ：气柜主体高度为 28．5m，拱顶高度 3．2m，筒体直经34．4m，气 柜 壁 板 厚 度 6mnl：设 计 压 力 为 4000Pa；材 料 为 Q235，密 度 7850kg／m ，弹 性 模 量206x10Pa，泊松 比 0．3：当地基本风压 0．5kN／m ：地 震 设 防 烈 度 为 7度 ，地 震 加 速 度 为 0．1 ， Ⅱ类场地 ，地震分组为第一组 。设计特征周期 O．35S；基本雪压 0．4kN／m2.
该气柜结构是一个由梁柱等杆件及钢板组成的封闭的圆柱形简体 ，筒体圆周均匀分布着18根立柱 ．立柱截面形式采用 H型钢 ，立柱柱脚采用地脚 螺栓 固定 在基 础 上 ，基 础 为混凝 土 浇注 。立 柱 和筒体环 向梁采用焊接结构 ，环梁采用角钢截面 。环梁和壁板之间采用满焊焊接。简体上分布有 3个环形走道 。气柜的顶部为圆球壳结构 。由辐射状径向梁 、环 向梁 、顶部通风帽、柜顶钢板和柜顶环形走道 板组 成 。径 向梁 的 向心 端 与 中央 环梁 连接 ，外端与气柜的立柱连接 ．圆形风帽支撑于柜顶中央环梁上 。柜顶 板采用 钢板 满铺 ，下 面设 径 向加劲 肋 、环向加劲肋 ，构成刚度很大的空间薄壳结构体系。
2 气柜主体结构计算方法
由于气柜结构的特殊性 ，在进行整体强度计算时不仅要考虑梁 、柱 所组成的主体 框架的主要承载 ，还要考虑壁板对整个结构体的刚度和强度的影响。因此 ，气柜可以看作是由梁柱等杆件 和壁板等板壳组成的一个综合结构体 ，计算时既要引进梁单元也要引进壳单元 ，只有这样才能真实地反映结构的实际受力情况。环形走道可视为刚性平台。对立柱及整个气柜的整体稳定起着至关重要的作用主要承受 由风或地震引起的水平载荷 。壁板除了起密封和承受 内压的作用外 。还起到了结构斜拉撑的作用 ，增强了结构的牢固性 ，在进行柜体的整体强度计算时不可忽略 。由于气柜结构 的特殊性和复杂性 ，本文采用有限元分析软件ANSYS对气柜整体进行数值计算分析 ，选用BEAM 188梁单元和 SHELL63壳单元 、MASS21质量单元 ，采用界面操作和编写APDL语言程序相结合的方法进行建模 、加载和计算。整个项 目的计算设计主要包括以下步骤 ：工程项 目的了解、结构载荷计算、计算工况确定 、有限元计算分析和计算结果的评定。
2．1 荷载计算
(1) 结构载荷
气柜的结构载荷主要包括气柜主体结构 自重 、调平装 置 及配 重块 重量 、内压 力 、T围栏 重量 及 活塞装置重量 ，平 台活荷载为 2500N／m2。
(1) 结构载荷
气柜的结构载荷主要包括气柜主体结构 自重 、调平装 置 及配 重块 重量 、内压 力 、T围栏 重量 及 活塞装置重量 ，平 台活荷载为 2500N／m2。
(2) 风 载荷
风载荷按照 GB50009-2001《建 筑结构荷载规范》等进行计算。风压标准值按下式进行计算 ：
2．2 计 算工 况 的确定
本项目的计算共分 四种工况 ：
(1)静载荷工况 (主体结构 自重+雪载荷+调平装置+配重块 )，该工 况主要 校核 各构件 在静 载工 况下 的受 力及 变形情况 。同时 提取 静 载 工况 下 的地 基 基 础 数 据 ；
(2)静载荷+地震载荷 f包括活塞系列装置在地震时产生的水平力) +0．25倍风载荷组合工况 ，该工况主要校核结构在地震作用下 的受力及变形情况 ，同时提取地震工况的地基基础数据 ；
(3)静 载荷+风载荷组合工况，该工况主要校核结构在风载下的受力及变形情况，同时提取风载工况下的地基基础数据 ；
(4)静载 荷+内压+风产 生的吸力组合 工况 ，该 工况 主要校 核壁 板及环 梁 的受力情 况 。
2．3 有 限元计 算分 析
本工程计算采用国际通用软件 ANSYS[41来完成 ，选用 BEAM 188梁单元和 SHELL63壳单元分别模拟结构中的梁柱和壁板 ，选 用 MASS21质量单元模拟活塞装置等。BEAM 188梁单元是一种可用于承受拉 、压 、弯、扭的单轴受力单元。该单元的每个 节 点有六 个 节点 自由度 ，即沿 、Y、 轴 三个方向的平动 自由度和绕 、Y、三轴三个方向的转动 自由度。由于单元的结点 自由度数 目相同 ，因此BEAM 188梁 单 元 与 SHELL63平板 壳 单元 可 以共用结点 ，以保证梁 和壳体相交 处有共 同 的变 形 。BEAM 188可 以准确地模拟梁柱等杆件 的形状和偏心位置等特性 ，这样就可 以准确地模拟结构 的整体失稳和圆柱壳 、顶壳局部失稳的真实情况 。采 用MASS2l质量单元来模拟活塞装置 ，呵以计算地震1况下活塞对主体结构的影响。
本工程计算采用国际通用软件 ANSYS[41来完成 ，选用 BEAM 188梁单元和 SHELL63壳单元分别模拟结构中的梁柱和壁板 ，选 用 MASS21质量单元模拟活塞装置等。BEAM 188梁单元是一种可用于承受拉 、压 、弯、扭的单轴受力单元。该单元的每个 节 点有六 个 节点 自由度 ，即沿 、Y、 轴 三个方向的平动 自由度和绕 、Y、三轴三个方向的转动 自由度。由于单元的结点 自由度数 目相同 ，因此BEAM 188梁 单 元 与 SHELL63平板 壳 单元 可 以共用结点 ，以保证梁 和壳体相交 处有共 同 的变 形 。BEAM 188可 以准确地模拟梁柱等杆件 的形状和偏心位置等特性 ，这样就可 以准确地模拟结构 的整体失稳和圆柱壳 、顶壳局部失稳的真实情况 。采 用MASS2l质量单元来模拟活塞装置 ，呵以计算地震1况下活塞对主体结构的影响。
(1) 汁算模型的建立
由于结构复杂．按照界面操作或编写APDL命令流程序都比较繁琐 ，容易出错 ，效率不高 ，而采片j界面操作和命令流相结合 的方法则可灵活建模 ，易修改 ，效率高 。为了便于杆件的选取操作 ，可以将杆件分为立柱 、简体环梁 、筒体纵梁 、拱顶环梁 、拱顶纵梁和走道梁等，每种类型杆件以不同的材料属性编号 ，这样在选取杆件时就可以按照材料编 号进行快捷选取 ，并进行其它的操 作 。 建模采取先 点到线 ，对线赋予杆件属性 ，包括截面形式 、截而参弩点等 ，然后采取由线旋转成面的方法 ，对新产生的线进行选取显示 ，赋予属性 ，这样有计划有步骤地对所有杆件的属性进行设置 ．每一步确定正确后提取 LOG文件 ，提炼出有用的命令流 ，编辑保存下来 ，需要重新做时就可以用命令流迅速地恢复模型的截 面形式不 同 ，放置方向也不一样 ．此在截 面分配时参考 要按分类逐 一设置 ，完 成 后还 要检 查设 置是否 正确 。在整个建模过程中要灵活运用坐标系的转换 ．进行柱坐标系下拷贝以及对重合关键点或元素进行合并操作 。对不规则的结构集中进行处理按照以上的建模方法进行建模思路清晰 ，可以达到事半功倍的效果。
由于结构复杂．按照界面操作或编写APDL命令流程序都比较繁琐 ，容易出错 ，效率不高 ，而采片j界面操作和命令流相结合 的方法则可灵活建模 ，易修改 ，效率高 。为了便于杆件的选取操作 ，可以将杆件分为立柱 、简体环梁 、筒体纵梁 、拱顶环梁 、拱顶纵梁和走道梁等，每种类型杆件以不同的材料属性编号 ，这样在选取杆件时就可以按照材料编 号进行快捷选取 ，并进行其它的操 作 。 建模采取先 点到线 ，对线赋予杆件属性 ，包括截面形式 、截而参弩点等 ，然后采取由线旋转成面的方法 ，对新产生的线进行选取显示 ，赋予属性 ，这样有计划有步骤地对所有杆件的属性进行设置 ．每一步确定正确后提取 LOG文件 ，提炼出有用的命令流 ，编辑保存下来 ，需要重新做时就可以用命令流迅速地恢复模型的截 面形式不 同 ，放置方向也不一样 ．此在截 面分配时参考 要按分类逐 一设置 ，完 成 后还 要检 查设 置是否 正确 。在整个建模过程中要灵活运用坐标系的转换 ．进行柱坐标系下拷贝以及对重合关键点或元素进行合并操作 。对不规则的结构集中进行处理按照以上的建模方法进行建模思路清晰 ，可以达到事半功倍的效果。
模 型完 成 后 对 l8根 立 柱 的 柱脚 和 底 层 壁 板 下边 缘进 行 同定 约束 ．然后 施加 不 同工况 下 的载 荷 就可以完成计算 在进行抗震计算时，还需要考虑活塞装置对气秆i主体结构的影响。因此 ，将活塞装置简化 为刚性质点 ，采用 MASS21单 元 。又因其重量靠气压来平衡 ，主体结构不承受活塞重量 ，所以要对 其 质量 属性 设 置 为 0，把 刚性 质点 和 立柱 上 的活塞轨道点连接设置为刚性区域 ．用于传递活塞装置地震时产生的水平力。气柜主体结构模型如图1、图 2所示 ，静 载工 况分 析模 型如 图 3所示 。
(2)汁算结果 的 提取这 里 仅 给 出 了 静 载 工 况 下 的 计 算 结 果 。 如图4、图 5、图 6所 示 ．．
(3)结果评定
由图4、图 5可知，静载工况下结构的最大应力值 为 57．2MPa。最大应力的位置为拱顶纵梁和立柱连接区域由图6可知 ．结构的最大变形在顶风帽区域 ，最大下沉量 为 9．387mm。
本文主要研究 了大型干式气柜的有限元分析方法 ，详细 阐述 了该 项 目的整个 计算 过程 和 步骤 ，包括 复杂结 构 的简化 建模 、分析 单元 类 型的选 用 以及确定边界条件 、载荷和计算工况等。通过本文提出的气柜有限元 计算方法 ，可以快速地处理复杂结构的建模 ，减少错误 ，提高效率。本文的方法对从事大型气柜强度计算分析的人员具有重要的参考借鉴价值。
本文由气柜维修（http://www.jshhcc.com）公司整理发布，如需转载请注明！
