ANSYS在冷卻塔結構設計中的應用 - 圖文-

1、ANSYS在冷卻塔結構設計中的應用鄭付明(中南電力設計院綜合設計分公司,湖北武漢430072摘要:通過工程實例介紹了大型通用有限元軟件ANSYS在雙曲線冷卻塔結構設計中的應用.計算分析表明:風荷載是冷卻塔結構設計中的控制荷載;人字柱截面設計一般由拉彎工況控制;設計地震7度時冷卻塔一般可以不作抗震驗算僅采取抗震構造措施.關鍵詞:冷卻塔;ANSYS;風荷載;地震作用中圖分類號:TM621文獻標識碼:A文章編號:1673-014304-0087-04自然通風冷卻塔是電廠采用二次循環(huán)冷卻系統(tǒng)的重要構筑物,是電廠的標志性構筑物之一.冷卻塔一般采用雙曲線型薄壁殼結構,筒體為變厚或等厚殼體結構,在筒體底部一

2、般設下環(huán)梁,在殼體頂部設剛性環(huán)加強.冷卻塔的支柱形式有人字形或X字形,國內的冷卻塔一般采用人字柱,人字柱下端嵌固于池壁或支墩.隨著電廠單機容量的增大,冷卻塔的規(guī)模越來越大.目前單機600MW機組根據當?shù)氐臍庀髼l件和汽輪機的凝汽排汽情況,一般配淋水面積為9000m2的逆流式雙曲線型自然通風冷卻塔,塔頂高度達150m,殼體頂部中面直徑達70m,喉部中面直徑達66m,殼體底部直徑達108m.冷卻塔的結構分析計算國內電力設計院一般采用專門電算程序進行,程序交互能力差,而且較少采用其它程序對比計算.由于目前設計的冷卻塔越來越高,而且冷卻塔的結構剛度在人字柱處發(fā)生改變,筆者認為對冷卻塔的結構計算應采用至少

3、2個不同力學模型的結構分析軟件進行整體計算.本文擬采用美國ANSYS公司開發(fā)的大型通用有限元計算軟件ANSYS對冷卻塔進行整體分析計算,希望對進行冷卻塔結構設計的同行有所啟發(fā).1工程概況某工程采用二次循環(huán)冷卻系統(tǒng),配套冷卻塔為淋水面積3000m2的逆流式雙曲線型自然通風冷卻塔,塔筒高度85m,頂部直徑39.35m,喉部直徑35.8m,殼體底部進風口處直徑63m,進風口高度5.8m,殼體最小厚度140mm,下環(huán)梁最大厚度500mm,塔頂剛性環(huán)最大厚度250mm,采用40對人字柱支撐.本工程的基本風壓0.55kPa,抗震設防烈度為7度,設計基本地震加速度值為0.10g,II類建筑場地.2有限元模型

4、冷卻塔的塔筒是一種典型的薄殼結構,它的厚度最薄處與其直徑之比很小.有限元分析時塔筒采用ANSYS的63號殼單元SHELL63,人字柱采用4號單元BEAM4.SHELL63單元既具有彎曲能力,又具有膜力,可以承受平面內荷載和法向荷載,單元每個節(jié)點具有6個自由度,沿節(jié)點坐標系X、Y、Z方向的平動和沿節(jié)點坐標系X、Y、Z軸的轉動,單元可以考慮應力剛化和大變形.SHELL63單元定義需要4個節(jié)點、4個厚度和正交各向異性的材料屬性.BEAM4單元是一種可用于承受拉、壓、彎、扭的單軸受力單元,這種單元在每個節(jié)點上有6個自由度,X、Y、Z方向的線位移和繞X、Y、Z軸的角位移,可用于計算應力剛化及大變形的問題

5、.SHELL63單元與BEAM4單元的節(jié)點自由度耦合通過CP命令或NUMMRG命令實現(xiàn).建立的有限元模型如圖1所示,其中單元總數(shù)8600,節(jié)點總數(shù)8718,邊界條件為BEAM4下端固結.第33卷第4期2005年12月江漢大學學報(自然科學版Journal of Jianghan University(Natural SciencesDec.,2005收稿日期:2005-08-20作者簡介:鄭付明(197388江漢大學學報(自然科學版總第33卷3重力荷載作用分析冷卻塔的重力荷載作用通過對冷卻塔施加加速度實現(xiàn).值得注意的是,施加加速度的方向必須與重力作用方向相反.ANSYS命令為:ACEL,圖如圖

6、2所示,圖中應力單位kPa.計算表明,冷卻塔在重力荷載作用下的應力水平較低.ANSYS通用后處理中一個強大的功能就是能夠把任何計算結果數(shù)據映射到模型的任意路徑上,并且能用圖形或列表的方式觀察結果沿路徑的變化情況.通過路徑操作,得到冷卻塔子午向軸力如圖3所示.冷卻塔子午向薄膜彎距如圖4所示.4風荷載作用分析風荷載是冷卻塔結構設計時最重要的荷載之一.首先塔筒的配筋往往由風荷載引起的拉力與重力荷載引起的壓力之差即拉彎控制.其次,風荷載在塔筒表面的分布非常復雜.塔筒的脈動風壓值與塔的動力特性、塔筒表面有無加肋情況、塔群效應等關系密切.對于基本風壓值較大的大塔宜通過風洞試驗確定塔的脈動風壓值.國內冷卻塔

7、一般塔筒表面光滑不加肋,風壓環(huán)向分布一般用Fourier余弦級數(shù)表示, Hn=0n=.對光滑雙曲線冷卻塔,取級數(shù)前8項系數(shù)依次為A i=0.1384、0.0014、0.0650.取風壓高度變化系數(shù)為指數(shù)分布Kz=(Z/102005年第4期鄭付明:ANSYS 在冷卻塔結構設計中的應用89 的90%.振型提取方法采用SUBSPACE 法,計算得到前兩階平動振型如圖7、圖8所示. 從計算結果可以看出冷卻塔的基本自振周期T 1=1/4.5029=0.2221s ,結構的剛度很大.6地震反應譜分析JOBNAME.MCOM ,得到7度多遇地震水平地震影響系數(shù)最大值799kN ,在0.55kPa 風荷載作用

8、下,人字柱最大軸向拉力1397kN ,在7度多遇地震作用下,人字柱最大軸向拉力151kN .風荷載作用效應遠大于重力荷載和地震作用效圖5冷卻塔的風壓作用模型圖6風載作用下主應力云圖圖7振型1,頻率4.5029Hz,振型參與質量比圖8振型2,頻率7.232Hz ,振型參與質量比圖97度多遇地震塔筒子午向軸力云圖90江漢大學學報(自然科學版總第33卷 應.因此,風荷載是冷卻塔結構設計時最為重要的荷載,應引起充分重視,而且人字柱在設計風荷載作用下,往往是拉彎工況控制截面配筋.此外,由于冷卻塔結構自重較輕而剛度很大,因此一般情況地震作用下的截面內力并不大.我國火力發(fā)電廠水工設計技術規(guī)定中也有“在抗震設

9、計烈度為7度地區(qū),冷卻塔設計應考慮抗震構造,可不作地震驗算”的一般性規(guī)定.8結論(1冷卻塔是二次循環(huán)冷卻系統(tǒng)中的重要構筑物,對于大塔應采用不少于2種力學模型計算,ANSYS 可以方便高效地求出冷卻塔在各種作用下的效應.(2風荷載是冷卻塔結構設計中非常重要的荷載,應引起足夠重視.冷卻塔結構設計往往是風荷載起控制作用,人字柱截面設計通常是拉彎工況控制.(3冷卻塔結構自重輕、剛度大,地震作用一般較小,設計地震7度時一般可以不作抗震驗算僅采取抗震構造措施.參考文獻:1GB/T50191-1993,構筑物抗震設計規(guī)范S .2NDGJ5-1988,火力發(fā)電廠水工設計技術規(guī)定S .Application o

10、f ANSYS in Cooling Tower DesignZHENG Fu-ming(Multiaspect Design Branch,Central Southern China Electric Power Design Institute,Wuhan 430072,China Abstract :Hyperbolic cooling towers are special structures in secondary circulation cooling system.Tall tower must be designed with more than two mechanical models.ANSYS software can be used efficiently in cooling tower structure analysis.This analysis method is used in some projects.The results prove that wind load is most important.Diagonal column section is controlled by axial tension and bending moment.The seismic load must not be computed in