基于ANSYS Workbench的某反應(yīng)塔模態(tài)及地震響應(yīng)譜分析

何志剛，程繼余

(江蘇天楹環(huán)保能源成套設(shè)備有限公司，江蘇 南通 226602)

我國地震比較頻繁，反應(yīng)塔工作環(huán)境惡劣，容易受到較大破壞。反應(yīng)塔抗彎剛度相對較小，是一種縱向和橫向尺寸之比比較大的鋼架和筒體的混合結(jié)構(gòu)，在橫向載荷作用下，地震載荷容易造成反應(yīng)塔較大的振動(dòng)和變形，并且地震載荷對反應(yīng)塔有很強(qiáng)的破壞力，因此對反應(yīng)塔進(jìn)行模態(tài)與地震響應(yīng)譜分析至關(guān)重要。有限元分析廣泛應(yīng)用于宇航、核、機(jī)電、化工、建筑、海洋等領(lǐng)域，是機(jī)械產(chǎn)品動(dòng)、靜、熱特性分析的重要手段，ANSYS作為大型有限元分析軟件具有成熟可靠的處理能力。本文通過SolidWorks建立三維實(shí)體模型，采用大型有限元分析軟件ANSYS Workbench對反應(yīng)塔的位移模態(tài)頻率、位移振型以及地震響應(yīng)譜等進(jìn)行了分析和研究，為該類型的反應(yīng)塔機(jī)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)，為反應(yīng)塔的抗震設(shè)計(jì)提供參考[1]。

1 建立反應(yīng)塔有限元模型

反應(yīng)塔由反應(yīng)塔支架、檢修平臺(tái)、滑動(dòng)支架、筒體、進(jìn)風(fēng)煙道、塔頂平臺(tái)、頂部平臺(tái)、高位槽等組成，反應(yīng)塔主要受力構(gòu)件是反應(yīng)塔支架、檢修平臺(tái)和筒體，本文以反應(yīng)塔支架、檢修平臺(tái)和筒體為主建立反應(yīng)塔的有限元分析模型，反應(yīng)塔高23.5m，支架寬6.2m，筒體直徑8.2m，如圖1所示。

反應(yīng)塔材料采用Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼，其材料屬性見表1。

圖1 反應(yīng)塔有限元分析模型

密度/(g·cm-3)彈性模量/GPa泊松比屈服極限/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa7.85200～2100.25～0.33235375～500

由于反應(yīng)塔模型的總單元數(shù)較多，并且具有大量的振型，為了得到可靠的結(jié)果，同時(shí)考慮求解速度和計(jì)算精度，本文采用自適應(yīng)分網(wǎng)方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置Element Size為100mm，共產(chǎn)生網(wǎng)格數(shù)量656 948個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量1 284 075個(gè)。圖2為反應(yīng)塔網(wǎng)格劃分示意圖。

圖2 反應(yīng)塔網(wǎng)格劃分示意圖

2 反應(yīng)塔模態(tài)分析

為了避免反應(yīng)塔在各種工況下發(fā)生共振，通常需要計(jì)算反應(yīng)塔的模態(tài)頻率和振型。本文采用約束模態(tài)分析法，對反應(yīng)塔的地腳螺栓孔施加固定約束[2]。反應(yīng)塔前40階非零模態(tài)頻率如圖3所示。

圖3 反應(yīng)塔前40階非零模態(tài)頻率

由于存在相似模態(tài)振型，因此本文具體分析第1，5，10，25，30階模態(tài)振型，如圖4～8所示。

圖4 反應(yīng)塔第1階模態(tài)振型

圖5 反應(yīng)塔第5階模態(tài)振型

圖6 反應(yīng)塔第10階模態(tài)振型

圖7 反應(yīng)塔第25階模態(tài)振型

圖8 反應(yīng)塔第30階模態(tài)振型

反應(yīng)塔第1，5，10，25，30階模態(tài)振型的特點(diǎn)見表2。

表2 反應(yīng)塔振型特點(diǎn)

3 地震響應(yīng)譜分析

譜分析是模態(tài)分析的延伸，其可以將模態(tài)分析的結(jié)果與一種已知的譜聯(lián)系起來，進(jìn)而計(jì)算模型的位移和應(yīng)力，以確定結(jié)構(gòu)對隨機(jī)載荷的動(dòng)力響應(yīng)情況。在工程中，響應(yīng)譜用來分析載荷譜的響應(yīng)情況[3]。

本文采用單點(diǎn)反應(yīng)譜響應(yīng)分析，分別對反應(yīng)塔地腳螺栓孔施加固定約束，對反應(yīng)塔進(jìn)行八級地震設(shè)防烈度下的機(jī)械強(qiáng)度分析。本文采用常用的地震波譜數(shù)據(jù)，其頻率-加速度響應(yīng)曲線如圖9所示。

圖9 頻率-加速度響應(yīng)曲線

通過仿真分析求得反應(yīng)塔在地震載荷下的等效應(yīng)力云圖和位移云圖，如圖10～11所示。

圖10 反應(yīng)塔等效應(yīng)力云圖

圖11 反應(yīng)塔位移云圖

從圖10可知，反應(yīng)塔應(yīng)力最大值為161.88MPa，位于反應(yīng)塔地腳螺栓孔處，小于材料Q235的屈服極限235MPa，因此反應(yīng)塔強(qiáng)度滿足抗震強(qiáng)度要求。從圖11可知，反應(yīng)塔變形最大值為8.165mm，小于《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》要求的最大變形70mm[4]，因此反應(yīng)塔滿足地震試驗(yàn)的變形要求。

綜合以上分析可知，該反應(yīng)塔滿足地震試驗(yàn)的抗震要求。

4 結(jié)束語

本文對反應(yīng)塔進(jìn)行了模態(tài)分析，結(jié)果表明該反應(yīng)塔具有良好的受力性能，其結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布均勻，剛度大、位移較??；反應(yīng)塔低階模態(tài)主要為筒體頂部扭轉(zhuǎn)振動(dòng)與支架下部彎扭耦合振動(dòng)，高階模態(tài)主要為筒體底部扭轉(zhuǎn)振動(dòng)與支架上部彎扭耦合振動(dòng)，振型的多樣性表明反應(yīng)塔的動(dòng)力特性比較復(fù)雜。依據(jù)地震響應(yīng)譜分析，反應(yīng)塔地腳螺栓孔承受應(yīng)力較大，筒體頂部位移較大，但塔體的整體剛度大，符合抗震要求。