基于ANSYS的管籠結構抗震分析

賈守亞+肖廣濤

摘 要：運用有限元分析軟件ANSYS對管籠參數化建模，通過模態分析確定管籠的固有頻率，根據設備的固有頻率的計算結果，確定x、y、z三個方向的地震加速度，通過計算確定設備各部位的受力情況。計算結果對管籠的結構設計有實際意義，明確放映出管籠結構在地震狀況下的結構安全性。

關鍵詞：ANSYS；抗震分析；管籠結構

中圖分類號：TH122；TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）27-0160-02

1 概 述

管籠結構是在化工領域廣泛使用的設備，管籠的種類繁多、形式多樣，但其基本結構是類似的，多由主管道、法蘭、閥門及其支座組成。管籠結構在工程應用中必須具有足夠的強度，否則不能保證安全運行。在實際運用中，管籠結構主要受到地震載荷的破壞，需要對其在地震作用下的強度進行校核。

本文利用ANSYS對某工程的管籠參數化建模，通過計算確定設備各部位的受力情況。Ansys軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。它能與大多數CAD軟件接口，實現數據的共享和交換，是現代產品設計中的高級CAE工具之一。所以選擇Ansys軟件對管籠結構進行有限元分析，能夠準確的反應管籠機構在地震載荷下各部分的受力狀況。

2 計算方法

本文以管籠結構為例，首先通過利用Ansys有限元分析軟件對其進行參數化建模，其次通過模態分析確定設備的頻率，然后通過頻率的計算結果，確定設備在x、y、z三個方向的地震加速度，最后通過力學分析對設備進行抗震計算[1]。

3 有限元模型的建立

3.1 模型簡化

實物分析模型，如圖1所示，簡化模型，如圖2所示。

本次分析在有限元建模時對Pipe Cage設備三維模型進行了簡化，具體如下：

將主管道內的cooling water簡化為質點單元并均布于內壁；

將閥門及組件內部的冷卻水簡化為質點單元，質點位置位于簡化部分的重心，且作用于對應的法蘭連接位置；

連接螺栓或鉚釘采用具有等徑和材質的beam單元簡化，忽略了影響網格劃分的圓角、倒角、小孔等小特征，焊接簡化為綁定接觸。將閥門及部分組件簡化為質點單元后，其在結構上的連接關系使用MPC單元來模擬[2]；

簡化后有限元模型總質量為5 155 kg。

3.2 網絡劃分說明

本次分析對框架結構主體主要使用20節點三維六面體單元solid186進行網格劃分，對管道采用solid285四面體單元進行網格劃分，主要體網格尺寸設置為8～20 mm。共生成159 888個單元，528 770個節點。網格劃分結果，如圖3所示。

3.3 分析方法

本次譜分析使用SRSS振型組合法疊加，模態分析約束的位置見圖4所示，地震加速度方向按照系統坐標系X、Y、Z三個方向分別進行計算[3]。

模態分析約束支點使用的碳素結構鋼螺栓ASTM A36彈性模量為MPa，泊松比為0.26，材料密度為7 850 kg/m3，螺栓的屈服強度為250 MPa，抗拉強度為500 MPa。

3.4 模態分析

由于管籠結構在地震載荷的作用下，其變形與內力均與設備的自振周期和振型有關，因此模態分析是對管籠結構進行抗震計算的基礎。對支座上16個螺栓進行全自由度約束，施加載荷并求解，可獲得設備的固有頻率，地震載荷只考慮模型的一階基本振型與固有頻率的影響，一階振型，如圖5所示，可以看出一階固有頻率為5.7 Hz。

4 計算結果

當地震反應譜分別沿x、y、z時，螺栓約束位置支反力統計，見表1。

4.1 地震反應譜沿X軸方向時

當地震反應譜沿X軸方向時，螺栓約束位置支反力統計，見表1。

因此當地震反應譜沿X軸方向時螺栓7、14、15、16存在失效的可能。

4.2 地震反應譜沿Y軸方向時

當地震反應譜沿X軸方向時，螺栓約束位置至反力統計，見表1。根據公式1對表1中各螺栓的約束支反力計算可知，所有螺栓均滿足公式1，因此當地震反應譜沿Y軸方向時，所有螺栓均能滿足抗震要求。

4.3 地震反應譜沿Z軸方向時

當地震反應譜沿X軸方向時，螺栓約束位置至反力統計見表1。根據公式1對表1中各螺栓的約束支反力計算可知，僅螺栓5/9/11/12能滿足公式1，能滿足抗震要求。

因此當地震反應譜沿Z軸方向時，設備發生大面積失效。

5 結 語

當地震反應譜沿X軸方向時，螺栓7、14、15、16存在失效的可能。

當地震反應譜沿Y軸方向時，所有螺栓均能滿足抗震要求。

當地震反應譜沿Z軸方向時，設備發生大面積失效。

從計算結果可以看出，該設備不滿足抗震要求，建議通過改變設備結構，選用高力學性能的材料來滿足抗震要求。

參考文獻：

[1] 余偉煒，高炳軍，陳洪軍.ANSYS在機械與化工裝備中的應用2版[M].北 京：中國水利水電出版社，2007.

[2] 陳淑玲，陳帆，林利芬.基于ANSYS的減速器斜齒-直齒圓柱齒輪的模 態分析[J].企業技術開發，2012，（31），6-8.

[3] 任輝啟.ANSYS7.0工程分析實例講解[M].北京：人民郵電出版社， 2003.