利用ANSYS 對煙囪支撐鋼架進行優化設計

林文強

（福建省特種設備檢驗研究院 福建福州 350003）

1 概述

隨著國家對大氣環保要求越來越嚴格，要求燃煤鍋爐煙氣實行超低排放，煙塵排放濃度限值≤5 mg/m3，二氧化硫排放濃度限值≤35 mg/m3，氮氧化物排放濃度限值≤50 mg/m3。電廠鍋爐煙氣通過脫硫脫硝后煙塵一般沒有達到超低排放標準［1］，需要在脫硫后再增加濕電除塵器使得達到超低排放標準［2］。改造場地有限和原有煙囪防腐達不到要求，需要在濕電除塵器頂上設立直立鋼煙囪，設備總體要達到60 m 以上。煙囪支撐鋼架比較復雜，其支撐梁受力分析人工計算比較困難，且耗時長。ANSYS 是一款常用CAE 軟件，有強大計算功能。該文工程研究對象結構尺寸見圖1 所示，鋼架的受力分析使用ANSYS有限元分析軟件進行計算機計算。

2 鋼架受力分析

2.1 計算煙囪對煙囪支撐鋼架的載荷

根據JB/T 4710—2005 鋼制塔式容器標準編制的計算表格，計算出標高+34.500 m 處對煙囪產生彎矩M=7 053 826 N·m（本工程的基本風壓為0.8 kN/m2）和煙囪的自重W=656 600 N。煙囪支座采用剛性支撐環，支撐中心線直徑D=6.2 m，支撐點數n=8 個（均布）見圖1 所示。根據NB/T 47003.1—2009 鋼制常壓容器標準，一個支撐點的壓力計算公式見式（1）。

圖1 煙囪和煙囪支撐鋼架示意圖

式中：Fb為作用于一個支撐點的壓力，N；M 為外載荷作用在煙囪的彎矩，N·m；Db為支撐中心線直徑，m；W 為垂直載荷，取設備最大操作重量，N；n 為支撐點個數。

由式（1）可計算出每個支撐點的壓力Fb為650 932 N。

2.2 建立計算模型

根據文獻，選擇分析模塊Strucktural［3］、桿單元beam189［4］；設置材料彈性模量210E9，泊松比0.3；在section 列表中輸入鋼架所需的各種型材的尺寸（立柱為方管400×16；1 號梁H1200×300×20×30；2 號 梁HN700×300×13×24；3 號 梁HN350×175×7×11；1 號鋼管φ159×5；2 號鋼管φ219×6）。

根據圖1 中的尺寸建立鋼架模型：先建立各控制點坐標，根據不同方案連接成直線，接著設置全局劃分分段數為10，然后根據不同方案，給各條直線賦予桿單元beam189 屬性和型材截面序號桿單元beam189 屬性，最后進行網格劃分。

方案1：標高+34.500 處支撐梁為1 號梁H1200×300×20×30，支撐中心線處梁沒設八字斜撐。標高+42.700 處支撐梁為3號梁HN350×175×7×11，梁平面方向拉撐為1 號鋼管φ159×5，鋼架梁立面方向斜撐為2 號鋼管φ219×6。

方案2：標高+34.500 處支撐梁為2 號梁HN700×300×13×24，支撐中心線處梁增設四對八字斜撐為2 號鋼管φ219×6，標高+42.700 處支撐梁為3 號梁HN350×175×7×11，梁平面方向拉撐為1 號鋼管φ159×5，鋼架梁立面方向斜撐為2 號鋼管φ219×6。

2.3 建立分析類型

選擇靜力學分析模塊。設置標高+28.450 m 4 個控制點為位移約束（不能平移，但可以轉動）；在圖1 中標高+34.500 m小圓圈標記的8 個位置控制點設置集中載荷Fz=-650 932 N；方案1 和方案2 邊界條件設置是一樣的。

2.4 求解結果

在GUI 界面Solution>Solve>Current LS 命令，分別完成方案1 和方案2 的求解。

方案1 應力云圖結果見圖2，顯示最大應力位置和應力值188 MPa，能滿足受力要求。

圖2 方案1 煙囪支撐鋼架的應力云圖

方案2 應力云圖結果見圖3，顯示最大應力位置和應力值215 MPa，能滿足受力要求。

圖3 方案2 煙囪支撐鋼架的應力云圖

3 比較結果

比較方案1 和方案2，鋼架標高+34.500 m 處所采用的支撐梁型材都能符合要求。方案1：梁H1200×300×20×30 型材單位重量320.28 kg/m，共需要83.85 m，重量為26 855 kg；方案2：梁HN700×300×13×24 型材單位重量181.76 kg/m，共需要83.85 m，重量為15 241 kg，支撐鋼管φ219×6 型材單位重量31.52 kg/m，共需要59 m，重量為1 860 kg，耗材總重15241+1860=17101 kg；方案2 比方案1 鋼材用量減少了約9 754 kg，本工程按3 套計算，共節省約29 262 kg，工程鋼材成本（含材料費和施工費）每噸按0.8 萬元，共節省成本23.41 萬元。

本工程設計中運用ANSYS 有限元分析軟件分析計算，能優化鋼架結構設計，減少鋼架鋼材耗量，獲得良好經濟效益。本工程用ANSYS 計算耗時1.5 d，如果用人工計算則大概需要5 d 左右（計算錯誤引起的浪費時間除外）。

4 結語

本文介紹的實際工程中的煙囪支撐鋼架設計，通過選擇不同鋼柱、鋼梁截面和不同斜撐連接方案進行建模分析計算，ANSYS 軟件能夠幫助工程師比較不同方案，選出更優的設計方案，完成煙囪支撐鋼架結構優化設計。對于一些復雜鋼架結構（如靜不定結構）的受力分析計算，計算機計算對比人工計算能更準確的計算結果和更短的計算時間。在工程設計中運用ANSYS 有限元分析軟件分析計算，能優化鋼架結構設計，減少鋼架鋼材耗量，獲得良好經濟效益。