基于ANSYS的直立塔設備動力特性研究

穆鳳蕓+趙勇

摘要：運用理論計算和ANSYS分析兩種方法，對直立塔設備的自振頻率及振型進行了求解，通過對兩種結果分析比較，指出ANSYS 11.0軟件的單元類型在塔設備的模態分析方面準確、可靠。

關鍵詞：ANSYS 直立塔設備 動力特性

1引言

隨著石化生產裝置向大型化發展，安裝于室外的直立塔設備整體結構變得即高又柔，在風力作用下產生振動時的阻尼越來越小，使得結構對風載荷的反應加大。風載荷使塔設備產生順著風向的振動和橫向振動或誘導振動。橫向振動對塔設備的破壞性比順風振動大得多。

當風以一定的速度繞流過圓柱形的塔設備時，會在塔體的背后產生漩渦，當40≤Rε150時，漩渦在尾流中有規律地交錯排列成兩行，塔設備兩側的漩渦會交替產生和脫落，使塔設備在與風向垂直的方向產生誘導振動，其振動的頻率與漩渦形成或脫落的頻率一致。

當漩渦脫落的頻率與塔設備的任一振型自振頻率一致時，塔設備就會產生共振。

2塔設備自振頻率的理論分析

根據直立塔設備的結構特點，可將其看作為一端固定，一端自由的懸臂梁結構。研究表明，阻尼對高大直立塔設備的自振頻率及振型影響較小，因此，在分析計算時略去阻尼影響，將其簡化為無阻尼自由振動。

對直徑或壁厚不等的高大直立塔設備，在工程實際分析中，通常采用簡便實用的近似方法計算一階自振頻率及振型。折算質量法是將多自由度體系的多個集中質量或無限自由度體系的分布質量，用一個集中質量來代替，使一個多自由度體系或無限自由度體系簡化成一個當量單自由度體系。

第1階振型的振型函數假設不同，相應自振周期計算結果差異會很大，振型函數越接近實際，自振周期計算結果越精確。

3 ANSYS分析直立塔設備的自振頻率及振型

本文采用ANSYS 11.0進行建模、分析。為了與理論計算結果進行比較，在進行建模時，保持了與理論分析一致的假設。

3.1有限元分析模型構建

在進行塔設備的模態分析時，需要建立簡化合理的有限元模型，本文構建了三維的有限元模型。采用有限元模型計算直立塔設備的自振頻率，基于以下的簡化和假設：

（1）三維有限元模型采用了ANSYS 11.0軟件的Structural Solid，Quad 4node 42和Structural Solid，Brick 8node 45兩種實體單元對浮閥塔結構進行有限元劃分。

（2）對直徑或壁厚不等的直立塔設備，分析計算時將其分為數段，每段的等效密度用該段的操作質量除以該段塔體幾何模型的體積，即：ρi= mi/Vi 。

（3）實體結構單元是一種面單元，具有4個節點。利用該平面單元對塔設備橫截面進行有限元劃分，通過沿平面法線方向分段拉伸，得到實體結構單元，具有8個節點。單元的材料特性可通過材料模型特性進行定義。

3.2模態分析

ANSYS 11.0軟件的模態分析功能是對塔設備進行動態分析的基礎。通過對結構進行模態分析，可以很容易得出結構的各階自振頻率，并對結構在各階自振頻率上進行動態模擬。

建模時塔設備的底座采用與理論計算相同的固定端假設，即假定浮閥塔設備的底部為完全約束狀態，且位移值為0。

利用ANSYS 11.0軟件模態分析的Block Lanczos法提取浮閥塔的前3階自振頻率并觀看振型模擬動畫。

4變截面浮閥塔算例

4.3結果比較

將浮閥塔前3階振型自振頻率的理論計算結果與ANSYS 11.0分析結果進行比較，見下表。

在工程上采用ANSYS 11.0軟件的實體結構單元對塔設備進行模態分析，能夠得到與理論計算結果基本一致的自振頻率。

5結論

模態分析結果顯示表明，相同條件下的理論計算值與三維有限元模型的模態分析值及其接近，對變截面塔，第一振型的相對誤差為0.25%。有限元模態分析不但能高效計算塔設備的高階振型頻率，而且能動態顯示塔設備在各階振型時的振動曲線變化過程，極大地方便了塔設備的自振頻率工程分析計算。

參考文獻：

[1]張朝暉.ANSYS 11.0結構分析工程應用實例解析.機械工業出版社，2010.170.

[2]路秀林，王者相.化工設備設計全書.化學工業出版社，2004.235.