基于ANSYS的鋼煙囪塔架結(jié)構(gòu)分析軟件開發(fā)

辛學(xué)濤，王玉宇，葉示舟，沈皚

（華東建筑集團(tuán)股份有限公司，上海 200041）

1 研究背景

1.1 鋼煙囪塔架結(jié)構(gòu)特殊性

鋼煙囪塔架結(jié)構(gòu)（見圖1），是一種不同于常規(guī)通信塔的結(jié)構(gòu)，高幾十米，有直立形、懸式等多種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)與塔架連接，煙囪有1~4管。塔架最外層會(huì)根據(jù)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(jié)構(gòu)的風(fēng)載大小。煙囪塔架的腹桿支撐、橫隔布置等設(shè)計(jì)形式也是多樣的。

該結(jié)構(gòu)的分析建模流程煩瑣但具有規(guī)律性，且結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型如止晃結(jié)構(gòu)、外裝飾造成風(fēng)載和附加質(zhì)量等具備一定的特殊性，在當(dāng)下鋼結(jié)構(gòu)主流分析軟件（3D3S、MIDAS，SAP2000）里找不到完全適用的模型，也沒有對(duì)應(yīng)模塊可以快速準(zhǔn)確地完成計(jì)算來評(píng)估設(shè)計(jì)。因此，從簡(jiǎn)化工作，提高效率的角度需要一種訂制軟件有針對(duì)性地做鋼煙囪塔架的結(jié)構(gòu)計(jì)算。

圖1 鋼煙囪塔架

1.2 有限元二次開發(fā)調(diào)研

ANSYS軟件作為業(yè)內(nèi)常用的商業(yè)化軟件，提供各類接口，可供二次開發(fā)[2-3]。當(dāng)下普遍使用的二次開發(fā)方法為使用ANSYS內(nèi)嵌APDL語言做內(nèi)核，通過界面窗口輸參數(shù)驅(qū)動(dòng)計(jì)算流程。本文在此方法基礎(chǔ)上開發(fā)了鋼煙囪塔架的計(jì)算程序，并做了若干優(yōu)化，程序有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）充分利用了ANSYS的豐富單元庫(kù)，對(duì)煙囪和塔架的力學(xué)關(guān)系定義更準(zhǔn)確；

2）利用Excel文件作為參數(shù)的輸入源，根據(jù)規(guī)范插值擬合，簡(jiǎn)單實(shí)用，易保存。

該程序開發(fā)的方法有效規(guī)避了以下問題：

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

2）直接程序?qū)懗龅腁PDL命令流文件的保密性差，容易外泄公司積累的Know-how；

3）鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品類節(jié)點(diǎn)計(jì)算需對(duì)總體計(jì)算結(jié)果做后處理提取，提取的過程較為低效。

2 鋼煙囪塔架計(jì)算工況

鋼煙囪塔架結(jié)構(gòu)為高聳結(jié)構(gòu)，需要考慮的載荷類型包含：結(jié)構(gòu)自重、活荷載、風(fēng)荷載、冰雪荷載、地震荷載。參數(shù)如煙囪、塔架的體型系數(shù)等計(jì)算依據(jù)規(guī)范[4-6]，結(jié)合項(xiàng)目所在地具體條件定義。關(guān)于結(jié)構(gòu)的短期效應(yīng)組合和長(zhǎng)期效應(yīng)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(fēng)荷載；

2）1.2 ×恒荷載+1.4×0.7×活荷載+1.4×0.7×風(fēng)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(fēng)荷載；

4）1.2 ×恒荷載+1.4×0.5×活荷載+1.4×0.2×風(fēng)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(fēng)荷載+1.4×0.7×冰荷載。

其中，風(fēng)荷載有0°吹角和45°吹角兩種情況（以四方塔為例）。

3 產(chǎn)品二次開發(fā)程序介紹

3.1 計(jì)算模塊

計(jì)算模塊的開發(fā)依據(jù)于APDL語言，由兩部分構(gòu)成：建立塔架煙囪模型的建模文件和用于計(jì)算每個(gè)單獨(dú)工況和工況組合的計(jì)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(jié)構(gòu)的止晃結(jié)構(gòu)來耦合煙囪和塔架的位移。塔架高度方向上腹桿加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)型式、橫隔布置型式較復(fù)雜，如圖2所示，在做每層的參數(shù)輸入時(shí)可以選擇其具體的設(shè)計(jì)型式，這些基本的結(jié)構(gòu)形式及其相互的幾何關(guān)系被作為固定標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)形式在ANSYS中建模。

圖2 布置形式

APDL中通過坐標(biāo)選擇每層的結(jié)構(gòu)件，采用定義component+層數(shù)組編號(hào)的形式按層定義每層的柱、腹桿、次腹桿、主梁、次梁，以每層結(jié)構(gòu)子類別如柱、次腹桿等為最小單位定義型材選型及做相應(yīng)的加載，對(duì)應(yīng)命令為“cm，構(gòu)件組名+層數(shù)，line”。型材截面庫(kù)為程序事先生成且可以后期維護(hù)的，在程序中通過對(duì)應(yīng)latt命令賦予對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)件型材屬性。

風(fēng)載、地震計(jì)算的過程需要參考現(xiàn)有規(guī)范定義，根據(jù)規(guī)范[4]垂直作用于結(jié)構(gòu)表面單位面積上風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值wk按式（1）計(jì)算：

式中，μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)；μz為在高度Z處的風(fēng)壓高度變化系數(shù)；w0為基本風(fēng)壓；βz為高度Z處的風(fēng)振系數(shù)。

式中，ξ為脈動(dòng)增大系數(shù)；ε1為風(fēng)壓脈動(dòng)和風(fēng)壓高度變化等的影響系數(shù)；ε2為振型、結(jié)構(gòu)外形的影響系數(shù)。

風(fēng)荷載計(jì)算分為兩部分：塔架部分和煙囪部分。塔架結(jié)構(gòu)的擋風(fēng)系數(shù)定義如下：關(guān)于風(fēng)荷載體型系數(shù)μs，根據(jù)規(guī)范[4]表4.2.7中對(duì)應(yīng)塔架結(jié)構(gòu)的選取。當(dāng)塔架本身是透風(fēng)時(shí)風(fēng)荷載會(huì)加載在煙囪上，參考規(guī)范[4]中關(guān)于懸臂圓形煙囪的風(fēng)載定義，迎風(fēng)面寬度按照煙囪的直徑，煙囪的風(fēng)荷載受力被通過surf154加載在煙囪迎風(fēng)面180°本體上。

結(jié)構(gòu)的模態(tài)計(jì)算結(jié)果因?yàn)轱L(fēng)載定義需要，是必要的一個(gè)輸入，程序的計(jì)算流程如圖3所示。計(jì)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(hào)和文件名方便后續(xù)檢索查看，另通過LCOPER命令對(duì)多工況疊加操作。

圖3 計(jì)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(yùn)行目錄下的APDL目錄中，可以被后續(xù)程序生成的命令文件調(diào)用。同理，常用的型材文件也被封裝做好編號(hào)存放在APDL目錄下供調(diào)用。

在建模計(jì)算宏文件之上程序又通過Python創(chuàng)建了高一層的計(jì)算宏文件，該層宏文件包含了兩部分：參數(shù)輸入界面生成的參數(shù)組和調(diào)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(chuàng)建該計(jì)算文件，其為實(shí)際在ANSYS運(yùn)行的宏文件，如模態(tài)計(jì)算文件命名為Command2。

程序與ANSYS的互動(dòng)調(diào)用方式也分為兩類：

1）在ANSYS中建模和做模態(tài)工況求解時(shí)采用的是ANSYS批處理命令模式，調(diào)用上文提到的Command2文件，在Python中通過subprocess.call啟動(dòng)批處理命令。

2）對(duì)于單工況、多工況計(jì)算，為在ANSYS窗口模型文件打開的基礎(chǔ)上，在菜單欄里調(diào)用位于工作目錄下程序生成的計(jì)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(shù)輸入Excel文件，通過主窗口的“產(chǎn)品類型”下拉框來選擇打開相應(yīng)類型的輸入文件，程序界面如圖4所示。

“產(chǎn)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(jié)構(gòu)形式。指定工作目錄后，后續(xù)步驟的Excel、計(jì)算文件均在該目錄存儲(chǔ)。

圖4 Pyt hon用戶界面

“計(jì)算文件名”輸入名稱如“Tower1”，本次計(jì)算生成的所有文件名將會(huì)以該名稱開頭。

點(diǎn)擊“Excel輸入”，會(huì)打開Excel進(jìn)行參數(shù)輸入，第一步僅需輸入塔架的幾何模型參數(shù)，完畢后保存，點(diǎn)擊“生成參數(shù)文件”按鈕，選定剛才保存的Excel文件生成工作目錄下帶默認(rèn)文件名的參數(shù)文件。點(diǎn)擊“模態(tài)求解”按鈕，啟動(dòng)ANSYS求解，程序自動(dòng)調(diào)用該文件。

求解完成后，在Excel文件中填入對(duì)應(yīng)的模態(tài)頻率信息，完成風(fēng)荷載插值保存，再次點(diǎn)擊“生成參數(shù)文件”按鈕，選中剛才保存的Excel文件，生成具備風(fēng)載荷信息的參數(shù)文件，選中相關(guān)的工況，點(diǎn)擊“生成計(jì)算文件”。圖5展示了四方形等截面單煙囪塔架結(jié)構(gòu)的輸入Excel界面，型材可以通過二級(jí)下拉菜單選擇相關(guān)的具體型號(hào)，這些型材型號(hào)對(duì)應(yīng)3.1定義好的特定截面編碼，通過內(nèi)置公式計(jì)算出迎風(fēng)面積等參數(shù)。

關(guān)于Excel表數(shù)據(jù)的提取，程序利用Python的pandas模塊將數(shù)據(jù)讀出，使用命令*.read_excel和*.to_csv寫入?yún)?shù)組文本文件，生成的文件名以“計(jì)算文件名”一欄中的內(nèi)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(jì)算演示，結(jié)構(gòu)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(xiàng)目地基本條件見表1。

輸入?yún)?shù)后，計(jì)算得到結(jié)構(gòu)自振頻率為1階頻率1.17 Hz，2階頻率1.26 Hz，列舉結(jié)構(gòu)的振型如圖7所示。另有組合工況計(jì)算評(píng)估結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力，較SAP 2000等軟件，ANSYS可以輸出梁?jiǎn)卧木C合應(yīng)力，結(jié)果更直觀，如圖8和圖9所示。

圖5 Excel錄入數(shù)據(jù)

圖6 煙囪筒壁結(jié)構(gòu)算例尺寸定義

表1 項(xiàng)目場(chǎng)地條件

圖7 第一、二階頻率

圖8 地震載荷計(jì)算

圖9 風(fēng)載荷計(jì)算

5 結(jié)論

本文介紹了針對(duì)煙囪塔架該特定結(jié)構(gòu)類型所做的二次開發(fā)工作，除力學(xué)模型更符合結(jié)構(gòu)實(shí)際受力特點(diǎn)之外，軟件對(duì)計(jì)算工作又做到了節(jié)約近90%時(shí)間，工作效率顯著提升，推動(dòng)了產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化工作。在現(xiàn)有基礎(chǔ)上還可以做進(jìn)一步的深化拓展，為使用者創(chuàng)造效益，具有實(shí)際使用價(jià)值。