劉超，田雅琴，黃慶學(xué)，薛曉琿

(太原科技大學(xué)，太原 030024)

吸收塔底部槽鋼結(jié)構(gòu)的有限元模擬分析

劉超，田雅琴，黃慶學(xué)，薛曉琿

(太原科技大學(xué)，太原 030024)

吸收塔是化工環(huán)保領(lǐng)域的重要設(shè)備，其底部槽鋼結(jié)構(gòu)能很好地保證吸收塔的靜強(qiáng)度和抗震性能要求。利用ANSYS軟件建立了吸收塔及其底部槽鋼結(jié)構(gòu)的有限元模型，完成了其結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析，得到了底板和槽鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與位移分布規(guī)律，并進(jìn)行了剛度和強(qiáng)度校核。計(jì)算結(jié)果表明，吸收塔底部平板外圓周和槽鋼焊接處的變形和應(yīng)力比其他位置要大，最大位移為0.15 mm，最大Mises應(yīng)力為146 MPa，超過(guò)設(shè)計(jì)溫度下Q235-B材料的許用應(yīng)力值113 MPa，焊接位置發(fā)生斷裂或拉傷的可能性較大，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

吸收塔;槽鋼結(jié)構(gòu);有限元分析;應(yīng)力強(qiáng)度

脫硫吸收塔是一種廣泛應(yīng)用于化工環(huán)保行業(yè)的大型薄壁鋼制圓筒結(jié)構(gòu)［1］，為了保證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及抗震性能的要求，通常在其底板上焊接一個(gè)槽鋼結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)底座。由于槽鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用常規(guī)設(shè)計(jì)方法很難完成其性能分析與評(píng)價(jià)工作。因此，利用現(xiàn)代有限元模擬技術(shù)對(duì)吸收塔底部的槽鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析［2］，并研究槽鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力強(qiáng)度和變形規(guī)律，具有十分重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)已有不少技術(shù)人員利用有限元法對(duì)吸收塔或槽鋼結(jié)構(gòu)開(kāi)展力學(xué)分析和性能研究。牛飛等［3］使用ANSYS軟件對(duì)脫硫吸收塔進(jìn)行了抗震性能的模擬分析，建立了吸收塔結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析的有限元模型，李琪等［4］采用有限元仿真技術(shù)完成了基于API規(guī)范的吸收塔應(yīng)力分析。王曉斌［5］利用ANSYS/LS-DYNA軟件模擬了槽鋼輥彎成型的動(dòng)態(tài)過(guò)程，陳連生等［6］針對(duì)工程機(jī)械用類(lèi)槽鋼在軋制成型后需要冷矯直這一問(wèn)題，用CAE軟件ANSYS開(kāi)展了其矯直工藝的模擬研究。本文主要利用ANSYS軟件建立吸收塔及其底部槽鋼結(jié)構(gòu)的有限元模型，并計(jì)算出結(jié)構(gòu)載荷，完成其仿真模擬分析，確定其應(yīng)力和位移的分布規(guī)律，進(jìn)行其剛度和強(qiáng)度的校核。

1 吸收塔底部槽鋼加強(qiáng)結(jié)構(gòu)

吸收塔是脫硫脫硝等節(jié)能減排系統(tǒng)中非常重要的設(shè)備之一，所用吸收塔在常溫下工作，設(shè)備自重9噸，吸收塔內(nèi)下部有14根排液管和支撐梁，塔體開(kāi)設(shè)管道洞孔、煙氣進(jìn)出口，塔體有些局部用型鋼加強(qiáng)，總重達(dá)70多噸，操作壓力4 kg/cm2，設(shè)備內(nèi)直徑4 m，高5 m.老鹵液體從設(shè)備上部進(jìn)液口打進(jìn)塔內(nèi)，壓力0.4 MPa，設(shè)計(jì)壓力取0.44 MPa，試驗(yàn)壓力0.55 MPa.

為保證強(qiáng)度要求，吸收塔底部加強(qiáng)筋采用如圖1所示的16a型槽鋼結(jié)構(gòu)(由于計(jì)算模型的對(duì)稱性，取四分之一結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模擬計(jì)算)，單根16a型槽鋼的示意圖和規(guī)格尺寸分別如圖2和表1所示。

2 吸收塔載荷計(jì)算及有限元建模

2.1 吸收塔載荷的確定

吸收塔除了結(jié)構(gòu)的自重以外，還主要承受操作壓力以及塔內(nèi)液體所產(chǎn)生的壓力。因此，吸收塔承受的總壓力P為:

其中p操作=0.4 MPa，液體所產(chǎn)生的壓力是隨著液體的深度增加而逐漸增大的，沿著塔的高度方向線性變化，在吸收塔底部平板上壓力最大，其受力分析示意圖如圖3所示。

圖1 吸收塔底部槽鋼結(jié)構(gòu)Fig.1 The channel structure at the bottom of absorber tower

圖2 16a型槽鋼結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The channel structure of 16a

表1 16a槽鋼的尺寸規(guī)格Tab.1 The size of 16a channel

圖3 吸收塔受力分析圖Fig.3 The force analysis of the absorber tower

2.2 吸收塔的有限元分析模型

利用ANSYS軟件建立吸收塔的有限元模型。ANSYS是美國(guó)研制的大型通用有限元分析軟件，它是一個(gè)功能強(qiáng)大的、靈活的設(shè)計(jì)分析及優(yōu)化軟件，融結(jié)構(gòu)、熱、流體等于一體，可廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)及研究。一個(gè)典型的ANSYS分析過(guò)程可分為以下三個(gè)步驟:創(chuàng)建有限元模型;施加載荷進(jìn)行求解;察看分析結(jié)果。

在對(duì)吸收塔和底部槽鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析之前，首先做以下基本簡(jiǎn)化:

(1)充裝系數(shù)為1，即液體充滿整個(gè)吸收塔;

(2)所有焊接為連續(xù)焊，且焊接接頭質(zhì)量可靠，無(wú)焊接缺陷;

(3)忽略吸收塔內(nèi)接管和排液管等所有配件對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。

經(jīng)簡(jiǎn)化后的計(jì)算模型，其結(jié)構(gòu)和承載均具有對(duì)稱性，在有限元分析中，取吸收塔的1/4模型進(jìn)行分析。由于采用的是對(duì)稱模型，因此在兩個(gè)1/4剖面上施加對(duì)稱約束;又因?yàn)槲账前惭b在土建基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之上的，所以在槽鋼的底面施加Z方向的約束，具體的約束如圖4所示。

圖4 吸收塔的幾何模型Fig.4 The geometric model of absorber tower

采用具有3個(gè)自由度(即X、Y、Z三個(gè)方向的移動(dòng))和8個(gè)節(jié)點(diǎn)的SOLID45單元進(jìn)行單元剖分，筒體及封頭使用掃掠網(wǎng)格劃分，底部平板和槽鋼使用自由網(wǎng)格劃分，共有單元61 012個(gè)，節(jié)點(diǎn)27 286個(gè)。吸收塔和底部槽鋼的網(wǎng)格劃分分別如圖5和圖6所示。

根據(jù)前面所確定的載荷類(lèi)型和大小，在ANSYS中對(duì)吸收塔壁面和底板施加壓力載荷，同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)自身的重量，加載后的有限元分析模型如圖7所示。

3 有限元模擬分析結(jié)果

ANSYS程序的后處理模塊包含通用后處理模塊(POST1)和時(shí)間歷程后處理模塊(POST2)兩個(gè)部分。通過(guò)在POST1模塊中可以獲取經(jīng)求解以后吸收塔底部槽鋼結(jié)構(gòu)的總位移和Mises應(yīng)力分布云圖。

圖5 吸收塔的網(wǎng)格模型Fig.5 The grid model of absorber tower

圖6 底部槽鋼結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分Fig.6 The meshing of channel structure

圖7 施加載荷的吸收塔有限元模型Fig.7 The FEM of absorber under load

從圖8底板和槽鋼的總位移云圖中可以看出，底板外圓周邊上變形比內(nèi)部要大，最大位移發(fā)生在外周邊槽鋼非搭接處。槽鋼縱橫交錯(cuò)的空白處，其底板變形明顯比有槽鋼支撐的位移要大。

圖8 底板和槽鋼的總位移云圖Fig.8 The total displacement nephogram of the baseboard and the channel structurestructure

從圖9槽鋼的總位移云圖中可以看出，槽鋼結(jié)構(gòu)的端部變形較大，而且越短的槽鋼變形越明顯。

圖9 槽鋼結(jié)構(gòu)的總位移云圖Fig.9 The total displacement nephogram of channel structure

圖10 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中槽鋼結(jié)構(gòu)的變形圖Fig.10 The deformation pattern of channel structure during experimentation

圖10為吸收塔實(shí)驗(yàn)過(guò)程中槽鋼的變形圖，可以發(fā)現(xiàn)槽鋼的端部發(fā)生明顯的翹曲變形，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的最大變形值為0.21 mm，與有限元模擬結(jié)果比較接近，而且變形趨勢(shì)基本一致。

圖11 底板和槽鋼的Mises應(yīng)力云圖Fig.11 The Mises stress nephogram of baseboard and channel structure

從圖11底板和槽鋼的Mises應(yīng)力云圖中可以看出，最大應(yīng)力發(fā)生在槽鋼端部與底板翹曲的位置，此處因應(yīng)力較大，底板和槽鋼有拉裂開(kāi)的趨勢(shì)。從圖12槽鋼結(jié)構(gòu)的Mises應(yīng)力云圖中可以看出，槽鋼結(jié)構(gòu)外端部的應(yīng)力比其他部位的應(yīng)力要大，換言之，吸收塔底板和槽鋼在外圓周接觸的位置是強(qiáng)度最弱的地方。

4 結(jié)論

通過(guò)上述對(duì)吸收塔底部槽鋼結(jié)構(gòu)的有限元模擬與分析，可得到如下結(jié)論:

圖12 槽鋼結(jié)構(gòu)的Mises應(yīng)力云圖Fig.12 The Mises stress nephogram of channel structure

(1)吸收塔底部平板和槽鋼結(jié)構(gòu)相焊接的外圓周產(chǎn)生的變形和應(yīng)力相對(duì)其他位置都偏大，因此其強(qiáng)度和剛度都是整個(gè)結(jié)構(gòu)相對(duì)較弱的地方。

(2)吸收塔底板和槽鋼的最大位移分別為0.15 mm和0.11 mm，發(fā)生在底部最短槽鋼的外側(cè)，即與平板焊接的外邊緣處，且有限元分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果非常相似，說(shuō)明有限元模擬的變形分布規(guī)律是正確可信的。

(3)吸收塔底板與槽鋼結(jié)構(gòu)的最大Mises應(yīng)力為，該應(yīng)力值已經(jīng)超過(guò)設(shè)計(jì)溫度下Q235-B材料的許用應(yīng)力值113 MPa，因此該結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂或拉傷的可能性很大，這與試驗(yàn)結(jié)果也是比較吻合的。

［1］博弈創(chuàng)作室.APDL參數(shù)化有限元分析技術(shù)及其應(yīng)用實(shí)例［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2004.

［2］牛飛，盛宏玉，徐偉榮.三門(mén)峽發(fā)電廠600MW機(jī)組煙氣脫硫塔有限元分析［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008，31(3):423-426.

［3］李琪，龔健.基于API規(guī)范的煙氣脫硫吸收塔有限元分析［J］.工業(yè)建筑，2009，39(1):576-578.

［4］王曉斌.基于ANSYS的槽鋼輥彎成型過(guò)程有限元分析［J］.機(jī)電信息，2011，11(18):163-164.

［5］陳連生，谷輝格，張大偉，等.工程機(jī)械用類(lèi)槽鋼矯直工藝有限元模擬［J］.河北聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014，36 (2):46-50.

［6］姚宏康，閆志杰，黨淑娥.Zr55Al10Cu30Ni5塊體非晶合金軋制塑性變形三維有限元分析［J］.太原科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，33(4):311-316

Finite Element Simulation Analysis of Channel Structure at the Bottom of Absorber Tower

LIU-Chao，TIAN Ya-qin，HUANG Qing-xue，XUE Xiao-hui
(Taiyuan University of Science and technology，Taiyuan 030024，China)

Absorber tower is one of the important equipments in the fields of chemical and environmental protection，and its bottom channel structure can guarantee the requirements of static strength and seismic performance ofabsorber tower.In this paper，the finite element model of absorber tower and its bottom channel structure was established by using ANSYS software，and its structural static strength analysis was performed.The distribution rule of stress and displacement for the bottom plate and channel structure was obtained，and the stiffness and strength check was finished.The results show that the deformation and stress at the weld location between the outer circumference of bottom plate and channel structure is larger than those at other locations，the maximum displacement is 0.15 mm，the maximum Mises stress is 146 MPa，and it exceeds the allowable stress value 113 MPa of Q235-B under the design temperature.The weld location between the outer circumference of bottom plate and the channel structure has a large likelihood of fracture or injury，and the finite element simulation results match the experimental results well.

absorber tower，channel structure，finite element analysis，stress intensity

TH114

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2015.02.014

1673-2057(2015)02-0150-05

2014-12-10

太原科技大學(xué)博士啟動(dòng)基金項(xiàng)目(20122003)

劉超(1988-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾弯摮C直原理及有限元模擬。