增湿塔结构的有限元分析

2014-03-20陶瑛

河南建材 2014年4期

关键词：塔体筒体支座

陶瑛

中材建设有限公司（100176）

增湿塔结构的有限元分析

陶瑛

中材建设有限公司（100176）

实际工程中增湿塔的工况非常复杂。处于地震烈度较高地区的增湿塔，要保证它工作中安全可靠，有必要对它进行结构强度的校核。这里结合实例，详细阐述了应用有限元软件ANSYS对增湿塔在不同工况进行的应力强度和变形的计算，并对其应力强度结果进行了分析和评定。

ANSYS；增湿塔；有限元；载荷

增湿塔在干法水泥生产工艺中用于对窑尾悬浮预热器排出的烟气降温增湿,降低粉尘比电阻，使烟气特性达到收尘器的处理要求,以提高收尘效率，增湿塔就是产生高分散水雾的一种装置[1]。

目前，增湿塔的设计多基于一些常规的计算方法，然而实际工程中增湿塔的工况非常复杂，例如设备自重、管道内压力、风载荷、地震载荷和附加设备载荷等。依靠常规的设计计算方法，是无法设计出这些载荷共同作用下合理的结构，设计人员往往会因为过于保守而造成材料和加工方面的浪费。为了满足设备安全适用的要求，本文应用有限元分析方法对该设备进行了结构强度的校核和应力结果评定，为增湿塔的设计和结构优化提供了依据。

1 模型

该Φ9.5×39 m增湿塔的主要设计参数是：设计温度350℃，设计压力-5 000 Pa，主要部件材料Q235B，地震设防烈度8度。增湿塔的主要结构及尺寸如图1。

图1 增湿塔结构图

增湿塔筒体是用钢板卷制焊接而成的圆筒形薄壁壳体，其厚度远小于板面长宽的尺寸，是有限元中的薄板问题。在构建薄壁结构的有限元模型时通常选用壳单元[2]。

在建立分析模型时保留了筒体、椎体、大接管、支座和加强筋等主要结构，没有建立小接管、梯子平台、附件等各种配件结构。如果建模时各种配件结构全部考虑，则大大增加模型的复杂程度，浪费计算机资源，而且各种配件结构对整体计算结果影响相对较小，不是本文的分析重点。

根据增湿塔的结构，采用了壳单元建模。增湿塔的分析模型见图2，模型网格划分见图3。

2 边界条件

2.1 约束

增湿塔是直立设备，可视为固定在基础上的悬臂梁，支座底板上施加全约束。

图2 增湿塔分析模型图

图3 增湿塔模型网格划分图

2.2 载荷

1）自重载荷和物料载荷

自重载荷在有限元分析中是通过给定单元的材料密度和重力加速度来施加。小接管、梯子平台、附件等结构的质量和物料载荷按等效密度施加到相应的模型单元上。

2）设计压力载荷

压力可以作为表面载荷，施加在增湿塔塔体的壁面上。

3）风载荷和地震载荷

风载荷是随机载荷，在工程计算中通常将风载荷折算成静载荷来处理，计算水平风力。对于地震载荷，这里采用反应谱理论，把增湿塔塔体视作一个多质点体系,求出在地震期间的最大反应值，将最大反应值作为载荷加在结构上做静力分析。

3 应力结果分析及评定

3.1 应力结果分析

参照设计标准[3]，不需要同时考虑风载荷与地震载荷，对各种工况进行组合，该增湿塔的工况及其相应的载荷组合如表1所示。

表1 增湿塔的工况及其载荷组合

工况1时，增湿塔的最大综合变形量约为9 mm，最大应力强度为35.4 MPa，出现在筒体与大接管的接合部位，支座的最大应力强度为13.9 MPa。

工况2时，增湿塔的最大综合变形量为24 mm，最大应力强度为48.3 MPa，出现在筒体与大接管的接合部位，支座的最大应力强度为21.4 MPa。

工况3时，增湿塔的最大综合变形量为29 mm，最大应力强度为69.1 MPa，出现在筒体与大接管的接合部位，支座的最大应力强度为29.9 MPa。

限于篇幅，下面只显示了增湿塔在工况3时的综合变形及应力强度分布图，见图4、图5。

3.2 应力强度评定

从以上各种工况的应力强度结果分析可知，增湿塔在工况3载荷状态下的应力强度最大，因此只需要对工况3的应力强度进行评定。

工况3的最大应力强度在增湿塔筒体与大接管的接合处，其值为69.1 MPa。材料Q235B在设计温度350℃下的许用应力Sm=77 MPa，显然最大应力强度快接近于材料的许用应力。但由于该部位的应力含薄膜应力、弯曲应力和二次应力，由JB4732-95《钢制压力容器——分析设计标准》中应力强度校核准则，一次薄膜应力加一次弯曲应力强度SⅢ≤1.5Sm，一次应力加二次应力强度SⅣ≤3 Sm。许用应力极限根据应力分类分别按1.5Sm=116 MPa和3Sm=231 MPa进行计算。计算结果，设备是安全的。

评定结果表明，设计过程中增湿塔筒体和支座取的安全系数较大，增加了钢板的使用量，经济上不够合理，可以在此基础上用有限元分析方法优化结构，降低其整体重量，提高其经济性。