增濕塔結構的有限元分析

陶 瑛

中材建設有限公司（100176）

增濕塔結構的有限元分析

陶 瑛

中材建設有限公司（100176）

實際工程中增濕塔的工況非常復雜。處于地震烈度較高地區的增濕塔，要保證它工作中安全可靠，有必要對它進行結構強度的校核。這里結合實例，詳細闡述了應用有限元軟件ANSYS對增濕塔在不同工況進行的應力強度和變形的計算，并對其應力強度結果進行了分析和評定。

ANSYS；增濕塔；有限元；載荷

增濕塔在干法水泥生產工藝中用于對窯尾懸浮預熱器排出的煙氣降溫增濕,降低粉塵比電阻，使煙氣特性達到收塵器的處理要求,以提高收塵效率，增濕塔就是產生高分散水霧的一種裝置[1]。

目前，增濕塔的設計多基于一些常規的計算方法，然而實際工程中增濕塔的工況非常復雜，例如設備自重、管道內壓力、風載荷、地震載荷和附加設備載荷等。依靠常規的設計計算方法，是無法設計出這些載荷共同作用下合理的結構，設計人員往往會因為過于保守而造成材料和加工方面的浪費。為了滿足設備安全適用的要求，本文應用有限元分析方法對該設備進行了結構強度的校核和應力結果評定，為增濕塔的設計和結構優化提供了依據。

1 模型

該Φ9.5×39 m增濕塔的主要設計參數是：設計溫度350℃，設計壓力-5 000 Pa，主要部件材料Q235B，地震設防烈度8度。增濕塔的主要結構及尺寸如圖1。

圖1 增濕塔結構圖

增濕塔筒體是用鋼板卷制焊接而成的圓筒形薄壁殼體，其厚度遠小于板面長寬的尺寸，是有限元中的薄板問題。在構建薄壁結構的有限元模型時通常選用殼單元[2]。

在建立分析模型時保留了筒體、椎體、大接管、支座和加強筋等主要結構，沒有建立小接管、梯子平臺、附件等各種配件結構。如果建模時各種配件結構全部考慮，則大大增加模型的復雜程度，浪費計算機資源，而且各種配件結構對整體計算結果影響相對較小，不是本文的分析重點。

根據增濕塔的結構，采用了殼單元建模。增濕塔的分析模型見圖2，模型網格劃分見圖3。

2 邊界條件

2.1 約束

增濕塔是直立設備，可視為固定在基礎上的懸臂梁，支座底板上施加全約束。

圖2 增濕塔分析模型圖

圖3 增濕塔模型網格劃分圖

2.2 載荷

1）自重載荷和物料載荷

自重載荷在有限元分析中是通過給定單元的材料密度和重力加速度來施加。小接管、梯子平臺、附件等結構的質量和物料載荷按等效密度施加到相應的模型單元上。

2）設計壓力載荷

壓力可以作為表面載荷，施加在增濕塔塔體的壁面上。

3）風載荷和地震載荷

風載荷是隨機載荷，在工程計算中通常將風載荷折算成靜載荷來處理，計算水平風力。對于地震載荷，這里采用反應譜理論，把增濕塔塔體視作一個多質點體系,求出在地震期間的最大反應值，將最大反應值作為載荷加在結構上做靜力分析。

3 應力結果分析及評定

3.1 應力結果分析

參照設計標準[3]，不需要同時考慮風載荷與地震載荷，對各種工況進行組合，該增濕塔的工況及其相應的載荷組合如表1所示。

表1 增濕塔的工況及其載荷組合

工況1時，增濕塔的最大綜合變形量約為9 mm，最大應力強度為35.4 MPa，出現在筒體與大接管的接合部位，支座的最大應力強度為13.9 MPa。

工況2時，增濕塔的最大綜合變形量為24 mm，最大應力強度為48.3 MPa，出現在筒體與大接管的接合部位，支座的最大應力強度為21.4 MPa。

工況3時，增濕塔的最大綜合變形量為29 mm，最大應力強度為69.1 MPa，出現在筒體與大接管的接合部位，支座的最大應力強度為29.9 MPa。

限于篇幅，下面只顯示了增濕塔在工況3時的綜合變形及應力強度分布圖，見圖4、圖5。

3.2 應力強度評定

從以上各種工況的應力強度結果分析可知，增濕塔在工況3載荷狀態下的應力強度最大，因此只需要對工況3的應力強度進行評定。

工況3的最大應力強度在增濕塔筒體與大接管的接合處，其值為69.1 MPa。材料Q235B在設計溫度350℃下的許用應力Sm=77 MPa，顯然最大應力強度快接近于材料的許用應力。但由于該部位的應力含薄膜應力、彎曲應力和二次應力，由JB4732-95《鋼制壓力容器——分析設計標準》中應力強度校核準則，一次薄膜應力加一次彎曲應力強度SⅢ≤1.5Sm，一次應力加二次應力強度SⅣ≤3 Sm。許用應力極限根據應力分類分別按1.5Sm=116 MPa和3Sm=231 MPa進行計算。計算結果，設備是安全的。

評定結果表明，設計過程中增濕塔筒體和支座取的安全系數較大，增加了鋼板的使用量，經濟上不夠合理，可以在此基礎上用有限元分析方法優化結構，降低其整體重量，提高其經濟性。

4 結語

通過對增濕塔的有限元分析，可以得出以下結論:

1）有限元分析結果顯示了增濕塔塔體的最大位移。若最大位移過大，可在塔體適當位置增加加強筋，減小其位移；可根據塔體底部截面處所承受的彎矩，計算地腳螺栓的尺寸和數量。

圖4 工況3時增濕塔的綜合變形分布圖

圖5 工況3時增濕塔的等效應力分布圖

2）有限元分析結果表明,在工況2和工況3時，增濕塔應力較大部位分布在支座處、筒體與大接管的接合處這兩個部位。因此，在風載荷和地震載荷作用下，需要對增濕塔結構強度進行校核，設計中要對支座處和筒體與大接管的接合處著重考慮。

3）設計增濕塔時可以利用有限元方法對結構進行優化，以達到經濟、安全、可靠、適用的要求。

[1]于興敏.新型干法水泥實用技術全書[M].中國建材工業出版社,2006.

[2]王呼佳,陳洪軍,等.ANSYS工程分析進階實例[M].北京:國中水利水電出版社,2006.

[3]JB 4732-1995,鋼制壓力容器——分析設計標準[S].