基于ANSYS的鋼煙囪塔架結構分析軟件開發

辛學濤，王玉宇，葉示舟，沈皚

（華東建筑集團股份有限公司，上海 200041）

1 研究背景

1.1 鋼煙囪塔架結構特殊性

鋼煙囪塔架結構（見圖1），是一種不同于常規通信塔的結構，高幾十米，有直立形、懸式等多種結構形式[1]。直立形為中間樹立煙囪而塔架圍繞煙囪搭建，煙囪和塔架間有止晃結構傳遞力。懸式煙囪為玻璃鋼或薄壁煙囪懸掛在塔架上，筒體通過懸掛和止晃結構與塔架連接，煙囪有1~4管。塔架最外層會根據美觀要求增添外彩鋼裝飾板，外裝飾的鏤空率直接影響到了結構的風載大小。煙囪塔架的腹桿支撐、橫隔布置等設計形式也是多樣的。

該結構的分析建模流程煩瑣但具有規律性，且結構的力學模型如止晃結構、外裝飾造成風載和附加質量等具備一定的特殊性，在當下鋼結構主流分析軟件（3D3S、MIDAS，SAP2000）里找不到完全適用的模型，也沒有對應模塊可以快速準確地完成計算來評估設計。因此，從簡化工作，提高效率的角度需要一種訂制軟件有針對性地做鋼煙囪塔架的結構計算。

圖1 鋼煙囪塔架

1.2 有限元二次開發調研

ANSYS軟件作為業內常用的商業化軟件，提供各類接口，可供二次開發[2-3]。當下普遍使用的二次開發方法為使用ANSYS內嵌APDL語言做內核，通過界面窗口輸參數驅動計算流程。本文在此方法基礎上開發了鋼煙囪塔架的計算程序，并做了若干優化，程序有以下優點：

1）充分利用了ANSYS的豐富單元庫，對煙囪和塔架的力學關系定義更準確；

2）利用Excel文件作為參數的輸入源，根據規范插值擬合，簡單實用，易保存。

該程序開發的方法有效規避了以下問題：

1）過往參數依賴于程序窗口輸入，不易保存且易讀性差，參數多的時候窗口填寫麻煩；

2）直接程序寫出的APDL命令流文件的保密性差，容易外泄公司積累的Know-how；

3）鋼結構產品類節點計算需對總體計算結果做后處理提取，提取的過程較為低效。

2 鋼煙囪塔架計算工況

鋼煙囪塔架結構為高聳結構，需要考慮的載荷類型包含：結構自重、活荷載、風荷載、冰雪荷載、地震荷載。參數如煙囪、塔架的體型系數等計算依據規范[4-6]，結合項目所在地具體條件定義。關于結構的短期效應組合和長期效應組合，考慮了5種工況組合如下[7]：

1）1.2 ×恒荷載+1.4×0.7×活荷載+1.4×風荷載；

2）1.2 ×恒荷載+1.4×0.7×活荷載+1.4×0.7×風荷載+1.40×冰荷載；

3）1.35 ×恒荷載+1.4×0.7×活荷載+1.4×0.6×風荷載；

4）1.2 ×恒荷載+1.4×0.5×活荷載+1.4×0.2×風荷載+1.3×地震荷載+1.2×冰荷載；

5）1.35 ×恒荷載+1.40×0.7×活荷載+1.4×0.7×風荷載+1.4×0.7×冰荷載。

其中，風荷載有0°吹角和45°吹角兩種情況（以四方塔為例）。

3 產品二次開發程序介紹

3.1 計算模塊

計算模塊的開發依據于APDL語言，由兩部分構成：建立塔架煙囪模型的建模文件和用于計算每個單獨工況和工況組合的計算文件。

塔架建模分為若干類：塔架的柱、腹桿、主梁、次梁，以beam188單元模擬并賦予截面類型，煙囪模型為shell181單元，與塔架通過combin14模擬結構的止晃結構來耦合煙囪和塔架的位移。塔架高度方向上腹桿加強筋設計型式、橫隔布置型式較復雜，如圖2所示，在做每層的參數輸入時可以選擇其具體的設計型式，這些基本的結構形式及其相互的幾何關系被作為固定標準結構形式在ANSYS中建模。

圖2 布置形式

APDL中通過坐標選擇每層的結構件，采用定義component+層數組編號的形式按層定義每層的柱、腹桿、次腹桿、主梁、次梁，以每層結構子類別如柱、次腹桿等為最小單位定義型材選型及做相應的加載，對應命令為“cm，構件組名+層數，line”。型材截面庫為程序事先生成且可以后期維護的，在程序中通過對應latt命令賦予對應結構件型材屬性。

風載、地震計算的過程需要參考現有規范定義，根據規范[4]垂直作用于結構表面單位面積上風荷載標準值wk按式（1）計算：

式中，μs為風荷載體型系數；μz為在高度Z處的風壓高度變化系數；w0為基本風壓；βz為高度Z處的風振系數。

式中，ξ為脈動增大系數；ε1為風壓脈動和風壓高度變化等的影響系數；ε2為振型、結構外形的影響系數。

風荷載計算分為兩部分：塔架部分和煙囪部分。塔架結構的擋風系數定義如下：關于風荷載體型系數μs，根據規范[4]表4.2.7中對應塔架結構的選取。當塔架本身是透風時風荷載會加載在煙囪上，參考規范[4]中關于懸臂圓形煙囪的風載定義，迎風面寬度按照煙囪的直徑，煙囪的風荷載受力被通過surf154加載在煙囪迎風面180°本體上。

結構的模態計算結果因為風載定義需要，是必要的一個輸入，程序的計算流程如圖3所示。計算分單工況和多工況組合兩類，用LCWRITE命令寫入，給予特定的單工況以特定編號和文件名方便后續檢索查看，另通過LCOPER命令對多工況疊加操作。

圖3 計算流程

建模主體程序被通過ANSYS自帶的/encrypt,mypaswod,宏文件名,mac和/encrypt命令加密成帶有固定文件名的宏命令，文件固定命名例為“Type1”并被打包程序安裝至ANSYS運行目錄下的APDL目錄中，可以被后續程序生成的命令文件調用。同理，常用的型材文件也被封裝做好編號存放在APDL目錄下供調用。

在建模計算宏文件之上程序又通過Python創建了高一層的計算宏文件，該層宏文件包含了兩部分：參數輸入界面生成的參數組和調用建模宏命令及求解命令，建模宏如上文提及的Type1文件。通過python中的open(“高一層宏文件名”“w”)以及write和close命令創建該計算文件，其為實際在ANSYS運行的宏文件，如模態計算文件命名為Command2。

程序與ANSYS的互動調用方式也分為兩類：

1）在ANSYS中建模和做模態工況求解時采用的是ANSYS批處理命令模式，調用上文提到的Command2文件，在Python中通過subprocess.call啟動批處理命令。

2）對于單工況、多工況計算，為在ANSYS窗口模型文件打開的基礎上，在菜單欄里調用位于工作目錄下程序生成的計算宏文件。

3.2 輸入模塊

輸入模塊包含兩部分，一部分為PyQt編制的程序窗口，另一部分為參數輸入Excel文件，通過主窗口的“產品類型”下拉框來選擇打開相應類型的輸入文件，程序界面如圖4所示。

“產品類型”下可以選擇“等截面自立煙囪塔架”“等截面懸式煙囪塔架”“三角斜塔自立煙囪塔架”等結構形式。指定工作目錄后，后續步驟的Excel、計算文件均在該目錄存儲。

圖4 Pyt hon用戶界面

“計算文件名”輸入名稱如“Tower1”，本次計算生成的所有文件名將會以該名稱開頭。

點擊“Excel輸入”，會打開Excel進行參數輸入，第一步僅需輸入塔架的幾何模型參數，完畢后保存，點擊“生成參數文件”按鈕，選定剛才保存的Excel文件生成工作目錄下帶默認文件名的參數文件。點擊“模態求解”按鈕，啟動ANSYS求解，程序自動調用該文件。

求解完成后，在Excel文件中填入對應的模態頻率信息，完成風荷載插值保存，再次點擊“生成參數文件”按鈕，選中剛才保存的Excel文件，生成具備風載荷信息的參數文件，選中相關的工況，點擊“生成計算文件”。圖5展示了四方形等截面單煙囪塔架結構的輸入Excel界面，型材可以通過二級下拉菜單選擇相關的具體型號，這些型材型號對應3.1定義好的特定截面編碼，通過內置公式計算出迎風面積等參數。

關于Excel表數據的提取，程序利用Python的pandas模塊將數據讀出，使用命令*.read_excel和*.to_csv寫入參數組文本文件，生成的文件名以“計算文件名”一欄中的內容打頭，并在高一層的宏文件中引用生成最終文件。

4 算例

以某50 m高四方形直立懸式煙囪塔架為例做計算演示，結構有兩根懸式煙囪，懸式煙囪為薄壁不銹鋼+保溫棉，尺寸如圖6所示。該項目地基本條件見表1。

輸入參數后，計算得到結構自振頻率為1階頻率1.17 Hz，2階頻率1.26 Hz，列舉結構的振型如圖7所示。另有組合工況計算評估結構變形和應力，較SAP 2000等軟件，ANSYS可以輸出梁單元的綜合應力，結果更直觀，如圖8和圖9所示。

圖5 Excel錄入數據

圖6 煙囪筒壁結構算例尺寸定義

表1 項目場地條件

圖7 第一、二階頻率

圖8 地震載荷計算

圖9 風載荷計算

5 結論

本文介紹了針對煙囪塔架該特定結構類型所做的二次開發工作，除力學模型更符合結構實際受力特點之外，軟件對計算工作又做到了節約近90%時間，工作效率顯著提升，推動了產品標準化工作。在現有基礎上還可以做進一步的深化拓展，為使用者創造效益，具有實際使用價值。