穆鳳蕓+趙勇

摘要：運(yùn)用理論計(jì)算和ANSYS分析兩種方法，對直立塔設(shè)備的自振頻率及振型進(jìn)行了求解，通過對兩種結(jié)果分析比較，指出ANSYS 11.0軟件的單元類型在塔設(shè)備的模態(tài)分析方面準(zhǔn)確、可靠。

關(guān)鍵詞：ANSYS 直立塔設(shè)備 動(dòng)力特性

1引言

隨著石化生產(chǎn)裝置向大型化發(fā)展，安裝于室外的直立塔設(shè)備整體結(jié)構(gòu)變得即高又柔，在風(fēng)力作用下產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)的阻尼越來越小，使得結(jié)構(gòu)對風(fēng)載荷的反應(yīng)加大。風(fēng)載荷使塔設(shè)備產(chǎn)生順著風(fēng)向的振動(dòng)和橫向振動(dòng)或誘導(dǎo)振動(dòng)。橫向振動(dòng)對塔設(shè)備的破壞性比順風(fēng)振動(dòng)大得多。

當(dāng)風(fēng)以一定的速度繞流過圓柱形的塔設(shè)備時(shí)，會在塔體的背后產(chǎn)生漩渦，當(dāng)40≤Rε150時(shí)，漩渦在尾流中有規(guī)律地交錯(cuò)排列成兩行，塔設(shè)備兩側(cè)的漩渦會交替產(chǎn)生和脫落，使塔設(shè)備在與風(fēng)向垂直的方向產(chǎn)生誘導(dǎo)振動(dòng)，其振動(dòng)的頻率與漩渦形成或脫落的頻率一致。

當(dāng)漩渦脫落的頻率與塔設(shè)備的任一振型自振頻率一致時(shí)，塔設(shè)備就會產(chǎn)生共振。

2塔設(shè)備自振頻率的理論分析

根據(jù)直立塔設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可將其看作為一端固定，一端自由的懸臂梁結(jié)構(gòu)。研究表明，阻尼對高大直立塔設(shè)備的自振頻率及振型影響較小，因此，在分析計(jì)算時(shí)略去阻尼影響，將其簡化為無阻尼自由振動(dòng)。

對直徑或壁厚不等的高大直立塔設(shè)備，在工程實(shí)際分析中，通常采用簡便實(shí)用的近似方法計(jì)算一階自振頻率及振型。折算質(zhì)量法是將多自由度體系的多個(gè)集中質(zhì)量或無限自由度體系的分布質(zhì)量，用一個(gè)集中質(zhì)量來代替，使一個(gè)多自由度體系或無限自由度體系簡化成一個(gè)當(dāng)量單自由度體系。

第1階振型的振型函數(shù)假設(shè)不同，相應(yīng)自振周期計(jì)算結(jié)果差異會很大，振型函數(shù)越接近實(shí)際，自振周期計(jì)算結(jié)果越精確。

3 ANSYS分析直立塔設(shè)備的自振頻率及振型

本文采用ANSYS 11.0進(jìn)行建模、分析。為了與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，在進(jìn)行建模時(shí)，保持了與理論分析一致的假設(shè)。

3.1有限元分析模型構(gòu)建

在進(jìn)行塔設(shè)備的模態(tài)分析時(shí)，需要建立簡化合理的有限元模型，本文構(gòu)建了三維的有限元模型。采用有限元模型計(jì)算直立塔設(shè)備的自振頻率，基于以下的簡化和假設(shè)：

（1）三維有限元模型采用了ANSYS 11.0軟件的Structural Solid，Quad 4node 42和Structural Solid，Brick 8node 45兩種實(shí)體單元對浮閥塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元?jiǎng)澐帧?/p>

（2）對直徑或壁厚不等的直立塔設(shè)備，分析計(jì)算時(shí)將其分為數(shù)段，每段的等效密度用該段的操作質(zhì)量除以該段塔體幾何模型的體積，即：ρi= mi/Vi 。

（3）實(shí)體結(jié)構(gòu)單元是一種面單元，具有4個(gè)節(jié)點(diǎn)。利用該平面單元對塔設(shè)備橫截面進(jìn)行有限元?jiǎng)澐郑ㄟ^沿平面法線方向分段拉伸，得到實(shí)體結(jié)構(gòu)單元，具有8個(gè)節(jié)點(diǎn)。單元的材料特性可通過材料模型特性進(jìn)行定義。

3.2模態(tài)分析

ANSYS 11.0軟件的模態(tài)分析功能是對塔設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析的基礎(chǔ)。通過對結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，可以很容易得出結(jié)構(gòu)的各階自振頻率，并對結(jié)構(gòu)在各階自振頻率上進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。

建模時(shí)塔設(shè)備的底座采用與理論計(jì)算相同的固定端假設(shè)，即假定浮閥塔設(shè)備的底部為完全約束狀態(tài)，且位移值為0。

利用ANSYS 11.0軟件模態(tài)分析的Block Lanczos法提取浮閥塔的前3階自振頻率并觀看振型模擬動(dòng)畫。

4變截面浮閥塔算例

4.3結(jié)果比較

將浮閥塔前3階振型自振頻率的理論計(jì)算結(jié)果與ANSYS 11.0分析結(jié)果進(jìn)行比較，見下表。

在工程上采用ANSYS 11.0軟件的實(shí)體結(jié)構(gòu)單元對塔設(shè)備進(jìn)行模態(tài)分析，能夠得到與理論計(jì)算結(jié)果基本一致的自振頻率。

5結(jié)論

模態(tài)分析結(jié)果顯示表明，相同條件下的理論計(jì)算值與三維有限元模型的模態(tài)分析值及其接近，對變截面塔，第一振型的相對誤差為0.25%。有限元模態(tài)分析不但能高效計(jì)算塔設(shè)備的高階振型頻率，而且能動(dòng)態(tài)顯示塔設(shè)備在各階振型時(shí)的振動(dòng)曲線變化過程，極大地方便了塔設(shè)備的自振頻率工程分析計(jì)算。

參考文獻(xiàn)：

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