基于ANSYS Workbench的某反應塔模態及地震響應譜分析

何志剛，程繼余

(江蘇天楹環保能源成套設備有限公司，江蘇 南通 226602)

我國地震比較頻繁，反應塔工作環境惡劣，容易受到較大破壞。反應塔抗彎剛度相對較小，是一種縱向和橫向尺寸之比比較大的鋼架和筒體的混合結構，在橫向載荷作用下，地震載荷容易造成反應塔較大的振動和變形，并且地震載荷對反應塔有很強的破壞力，因此對反應塔進行模態與地震響應譜分析至關重要。有限元分析廣泛應用于宇航、核、機電、化工、建筑、海洋等領域，是機械產品動、靜、熱特性分析的重要手段，ANSYS作為大型有限元分析軟件具有成熟可靠的處理能力。本文通過SolidWorks建立三維實體模型，采用大型有限元分析軟件ANSYS Workbench對反應塔的位移模態頻率、位移振型以及地震響應譜等進行了分析和研究，為該類型的反應塔機構優化提供理論依據，為反應塔的抗震設計提供參考[1]。

1 建立反應塔有限元模型

反應塔由反應塔支架、檢修平臺、滑動支架、筒體、進風煙道、塔頂平臺、頂部平臺、高位槽等組成，反應塔主要受力構件是反應塔支架、檢修平臺和筒體，本文以反應塔支架、檢修平臺和筒體為主建立反應塔的有限元分析模型，反應塔高23.5m，支架寬6.2m，筒體直徑8.2m，如圖1所示。

反應塔材料采用Q235碳素結構鋼，其材料屬性見表1。

圖1 反應塔有限元分析模型

密度/(g·cm-3)彈性模量/GPa泊松比屈服極限/MPa抗拉強度/MPa7.85200～2100.25～0.33235375～500

由于反應塔模型的總單元數較多，并且具有大量的振型，為了得到可靠的結果，同時考慮求解速度和計算精度，本文采用自適應分網方式進行網格劃分，設置Element Size為100mm，共產生網格數量656 948個，節點數量1 284 075個。圖2為反應塔網格劃分示意圖。

圖2 反應塔網格劃分示意圖

2 反應塔模態分析

為了避免反應塔在各種工況下發生共振，通常需要計算反應塔的模態頻率和振型。本文采用約束模態分析法，對反應塔的地腳螺栓孔施加固定約束[2]。反應塔前40階非零模態頻率如圖3所示。

圖3 反應塔前40階非零模態頻率

由于存在相似模態振型，因此本文具體分析第1，5，10，25，30階模態振型，如圖4～8所示。

圖4 反應塔第1階模態振型

圖5 反應塔第5階模態振型

圖6 反應塔第10階模態振型

圖7 反應塔第25階模態振型

圖8 反應塔第30階模態振型

反應塔第1，5，10，25，30階模態振型的特點見表2。

表2 反應塔振型特點

3 地震響應譜分析

譜分析是模態分析的延伸，其可以將模態分析的結果與一種已知的譜聯系起來，進而計算模型的位移和應力，以確定結構對隨機載荷的動力響應情況。在工程中，響應譜用來分析載荷譜的響應情況[3]。

本文采用單點反應譜響應分析，分別對反應塔地腳螺栓孔施加固定約束，對反應塔進行八級地震設防烈度下的機械強度分析。本文采用常用的地震波譜數據，其頻率-加速度響應曲線如圖9所示。

圖9 頻率-加速度響應曲線

通過仿真分析求得反應塔在地震載荷下的等效應力云圖和位移云圖，如圖10～11所示。

圖10 反應塔等效應力云圖

圖11 反應塔位移云圖

從圖10可知，反應塔應力最大值為161.88MPa，位于反應塔地腳螺栓孔處，小于材料Q235的屈服極限235MPa，因此反應塔強度滿足抗震強度要求。從圖11可知，反應塔變形最大值為8.165mm，小于《建筑抗震設計規范》要求的最大變形70mm[4]，因此反應塔滿足地震試驗的變形要求。

綜合以上分析可知，該反應塔滿足地震試驗的抗震要求。

4 結束語

本文對反應塔進行了模態分析，結果表明該反應塔具有良好的受力性能，其結構內力分布均勻，剛度大、位移較小；反應塔低階模態主要為筒體頂部扭轉振動與支架下部彎扭耦合振動，高階模態主要為筒體底部扭轉振動與支架上部彎扭耦合振動，振型的多樣性表明反應塔的動力特性比較復雜。依據地震響應譜分析，反應塔地腳螺栓孔承受應力較大，筒體頂部位移較大，但塔體的整體剛度大，符合抗震要求。