大型袋式除塵器中箱體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

摘 要：除塵器結(jié)構(gòu)失穩(wěn)失效在實(shí)際工程中時(shí)有發(fā)生，設(shè)計(jì)時(shí)在強(qiáng)度滿足要求的前提下，還需特別關(guān)注結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能。本文以袋式除塵器的中箱體結(jié)構(gòu)為例，采用ANSYS有限元分析軟件先通過線性特征值屈曲分析計(jì)算出中箱體結(jié)構(gòu)的理論臨界屈曲載荷，在考慮初始缺陷、幾何非線性和材料非線性的影響下，采用非線性特征值屈曲分析計(jì)算中箱體結(jié)構(gòu)的實(shí)際極限承載載荷。計(jì)算結(jié)果表明，線性特征值屈曲分析計(jì)算結(jié)果偏大；只有非線性特征值屈曲分析才能準(zhǔn)確地計(jì)算出結(jié)構(gòu)的極限承載能力。

關(guān)鍵詞：除塵器中箱體 穩(wěn)定性分析 初始缺陷 極限承載力

中圖分類號(hào)：X513 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）03（b）-0094-03

近年來，袋式除塵器在煙氣治理方面應(yīng)用廣泛，但目前除塵器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要采用類比法進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，缺少相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范，導(dǎo)致設(shè)計(jì)不夠合理和精確[1]。目前，不斷發(fā)展的CAE技術(shù)在除塵器部件結(jié)構(gòu)、整機(jī)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算和穩(wěn)定性校核中應(yīng)用較多，但主要采用線性分析方法，而采用非線性分析方法的尚不多見。

結(jié)構(gòu)失穩(wěn)是鋼結(jié)構(gòu)的主要失效形式之一，設(shè)計(jì)時(shí)必須予以重視，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)分為平衡分叉失穩(wěn)、極值點(diǎn)失穩(wěn)和躍越性失穩(wěn)[2]。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析的主要目的是確定結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)臨界載荷，常用的分析方法包括線性特征值屈曲分析和非線性特征值屈曲分析，以上兩種方法逐漸成為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析的有力工具[3]。本文以除塵器的中箱體結(jié)構(gòu)為例，采用線性特征值屈曲分析和非線性特征值屈曲分析分別計(jì)算中箱體結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)臨界載荷，通過計(jì)算結(jié)果評定其穩(wěn)定性能和極限承載能力。

1 中箱體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

袋式除塵器中箱體結(jié)構(gòu)外形尺為6200mm×4200mm×7500mm，側(cè)板和端板的板厚為4mm，側(cè)板槽鋼加強(qiáng)筋截面為C160mm×63mm×6.5mm，角鋼加強(qiáng)筋截面為L100mm×63mm×8mm，端板槽鋼加強(qiáng)筋截面為C200mm×75mm×9mm，角鋼加強(qiáng)筋截面L100mm×63mm×8mm，工字鋼加強(qiáng)筋截面為HW200mm×150mm×9mm×6mm，撐管截面○102mm×90mm。模型如圖1所示。

所有構(gòu)件材質(zhì)為Q235B，材料的彈性模量E=2.06×105MPa，屈服強(qiáng)度為215MPa，非線性特征值屈曲分析采用理想彈塑性模型。采用SHELL181單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。中箱體結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)載荷有負(fù)壓、積灰載荷、結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)載以及其他相連接部件傳遞給中箱體的載荷。載荷統(tǒng)計(jì)見表1。

中箱體結(jié)構(gòu)約束分析：中箱體底部槽鋼加強(qiáng)筋焊接在除塵器底梁結(jié)構(gòu)的上表面，底梁結(jié)構(gòu)自身剛度大，且焊接在底梁上的灰斗結(jié)構(gòu)對底梁有很大的加強(qiáng)作用[4]，因此在中箱體底部槽鋼加強(qiáng)筋下表面施加全約束；中箱體頂部槽鋼加強(qiáng)筋與除塵器的噴吹箱焊接，噴吹箱自身以及與其相連的上箱體剛性都很強(qiáng)，因而有很強(qiáng)的平面內(nèi)剛度和平面外剛度，因此在中箱體頂部槽上上表面施加3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度約束和X，Z方向的平移自由度約束。

2 中箱體線性特征值屈曲分析

線性特征值屈曲分析一般用于預(yù)測理想彈性結(jié)構(gòu)的理論屈曲強(qiáng)度，計(jì)算時(shí)中不考慮非線性因素和初始缺陷的影響，因此其計(jì)算結(jié)果通常為結(jié)構(gòu)失穩(wěn)臨界載荷的上限，只能作為參考。另外線性特征值屈曲分析只能求得對應(yīng)的失穩(wěn)模態(tài)，不能求出具體的失穩(wěn)后變形。線性特征值屈曲分析可歸結(jié)為求解線性特征值問題，將求得的特征值從小到大排列為λ1，λ2，…λn分別稱為：一階特征值，二階特征值…n階特征值，其對應(yīng)的特征向量φ1，φ2，…φn分別稱為：一階屈曲模態(tài)，一階屈曲模態(tài)，…n階屈曲模態(tài)。特征值乘以所施加載荷為結(jié)構(gòu)對應(yīng)的失穩(wěn)臨界載荷。

分析時(shí)設(shè)計(jì)載荷為組合工況：1.2×恒+1.4×活1+0.98×（活2+活3）=2.06×105Pa，采用子空間迭代法，提取的特征值數(shù)值為6，最后進(jìn)行擴(kuò)展解處理，中箱體結(jié)構(gòu)在該載荷作用下的前六階特征值（見表2）和屈曲模態(tài)（只列出了一階、六階屈曲模態(tài)圖（圖2、圖3），其他略）。

中箱體一階屈曲模態(tài)圖顯示外側(cè)板最先出現(xiàn)屈曲變形，變形位于外側(cè)板中部，說明該部位最為薄弱；內(nèi)側(cè)板從第六階開始出現(xiàn)屈曲變形，變形位于內(nèi)側(cè)板中上部，端板在前6階屈曲模態(tài)中沒有發(fā)生屈曲變形。線性特征值屈曲分析計(jì)算得到的一階失穩(wěn)臨界載荷P1=5.01×105Pa；六階失穩(wěn)臨界載荷P2=5.96×105Pa。其中一階失穩(wěn)模態(tài)對應(yīng)的失穩(wěn)臨界載荷為中箱體結(jié)構(gòu)的理論臨界屈曲載荷。

3 中箱體非線性特征值屈曲分析

非線性特征值屈曲分析通過采用逐漸增加載荷的非線性靜力分析技術(shù)求出使結(jié)構(gòu)開始變得不穩(wěn)定時(shí)的臨界屈曲載荷。非線性特征值屈曲分析可以綜合考慮結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性問題，通過載荷—位移曲線可以把結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性以至于剛度的整個(gè)變化歷程清楚的表示出來。分析過程中考慮材料和幾何非線性因素以及結(jié)構(gòu)的初始缺陷對結(jié)構(gòu)承載性能的影響，得出其真實(shí)的極限承載載荷。

分析時(shí)施加在中箱體結(jié)構(gòu)上的載荷為k×[1.2×恒+1.4×活1+0.98×（活2+活3）]，k值只需大于線性特征值屈曲分析時(shí)的一階特征值2.4282即可，本次計(jì)算k取2.6，結(jié)構(gòu)初始缺陷取中箱體線性屈曲分析一階屈曲模態(tài)的1/300，其他載荷與約束條件和線性分析時(shí)相同。計(jì)算得到的外側(cè)板位移（X方向）最大節(jié)點(diǎn)5086和內(nèi)側(cè)板位移（X方向）最大節(jié)點(diǎn)76827的載荷—位移曲線如圖4、圖5所示。

計(jì)算結(jié)果表明：中箱體結(jié)構(gòu)在負(fù)壓、積灰載荷、結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)載以及其他載荷逐漸增加過程中外側(cè)板中部最先發(fā)生屈曲變形，變形位置與線性特征值屈曲分析時(shí)相同。最先發(fā)生屈曲變形節(jié)點(diǎn)（編號(hào)為5086）的載荷——位移曲線出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，表現(xiàn)為極值臨界載荷點(diǎn)，其值為4.2×105Pa；內(nèi)側(cè)板位移最大節(jié)點(diǎn)（編號(hào)為76827）的載荷——位移曲線沒有出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，表明內(nèi)側(cè)板在該載荷作用下不發(fā)生屈曲變形。

4 結(jié)論

（1）線性特征值屈曲分析結(jié)果顯示外側(cè)板中部最先發(fā)生屈曲變形；內(nèi)側(cè)板從第六階開始在中上部出現(xiàn)屈曲變形，屈曲臨界載荷分別為5.01×105Pa和5.96×105Pa。因此中箱體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)臨界載荷P1=5.01×105Pa，與設(shè)計(jì)載荷之比為2.43，中箱體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)較大。

（2）非線性特征值屈曲分析結(jié)果顯示外側(cè)板最先發(fā)生屈曲變形的位置與線性特征值屈曲分析時(shí)相同，內(nèi)側(cè)板在該載荷作用下不發(fā)生屈曲變形。中箱體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)臨界載荷為4.2×105Pa，與設(shè)計(jì)載荷之比為2.04，中箱體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)較大。

（3）非線性特征值屈曲分析得到的失穩(wěn)臨界載荷與線性特征值屈曲分析得到失穩(wěn)臨界載荷相比，下降了16.2%，結(jié)果表明非線性分析法計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確，實(shí)際工程設(shè)計(jì)中采用非線性特征值屈曲分析方法計(jì)算結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)臨界載是非常有必要的。

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