干式气柜结构的有限元分析

卓高柱 王浩先 张海明 李 文

（济南二机床集团有限公司）

渠 伟

（山东天浩工程设计有限公司）

0 前言

随着冶炼行业的发展，气柜在我国得到了越来越广泛的应用，同时气柜的设计水平也逐步趋于成熟。有限元分析是目前最准确、水平最高的一种仿真计算方法。由于气柜体积庞大，杆件众多，结构复杂，要想迅速地建立计算分析模型进行不同工况的计算分析，就一定要掌握灵活的建模和计算简化方法。本文重点研究如何利用ANSYS有限元分析软件灵活快捷地对大型气柜整体结构进行计算分析，达到计算简化、科学合理、数值模拟接近实际和节约成本、提高效率的目的。

1 气柜结构概述

本文以某设计单位20 000 m3干式柔性橡胶布帘式密封气柜为研究对象。有关设计参数如下：气柜主体高度为28.5 m，拱顶高度3.2 m，筒体直径34.4 m，气柜壁板厚度6 mm；设计压力为4000 Pa； 材料为 Q235，密度 7850 kg/m3， 弹性模量206×109Pa，泊松比0.3；当地基本风压0.5 kN/m2；地震设防烈度为7度，地震加速度为0.1g，Ⅱ类场地，地震分组为第一组，设计特征周期0.35 s；基本雪压0.4 kN/m2。

该气柜结构是一个由梁柱等杆件及钢板组成的封闭的圆柱形筒体，筒体圆周均匀分布着18根立柱，立柱截面形式采用H型钢，立柱柱脚采用地脚螺栓固定在基础上，基础为混凝土浇注。立柱和筒体环向梁采用焊接结构，环梁采用角钢截面，环梁和壁板之间采用满焊焊接。筒体上分布有3个环形走道。气柜的顶部为圆球壳结构，由辐射状径向梁、环向梁、顶部通风帽、柜顶钢板和柜顶环形走道板组成。径向梁的向心端与中央环梁连接，外端与气柜的立柱连接，圆形风帽支撑于柜顶中央环梁上。柜顶板采用钢板满铺，下面设径向加劲肋、环向加劲肋，构成刚度很大的空间薄壳结构体系。

2 气柜主体结构计算方法

由于气柜结构的特殊性，在进行整体强度计算时不仅要考虑梁、柱所组成的主体框架的主要承载，还要考虑壁板对整个结构体的刚度和强度的影响。因此，气柜可以看作是由梁柱等杆件和壁板等板壳组成的一个综合结构体，计算时既要引进梁单元也要引进壳单元，只有这样才能真实地反映结构的实际受力情况。环形走道可视为刚性平台，对立柱及整个气柜的整体稳定起着至关重要的作用，主要承受由风或地震引起的水平载荷。壁板除了起密封和承受内压的作用外，还起到了结构斜拉撑的作用，增强了结构的牢固性，在进行柜体的整体强度计算时不可忽略。由于气柜结构的特殊性和复杂性，本文采用有限元分析软件ANSYS对气柜整体进行数值计算分析，选用BEAM 188梁单元和SHELL 63壳单元、MASS 21质量单元，采用界面操作和编写APDL语言程序相结合的方法进行建模、加载和计算。整个项目的计算设计主要包括以下步骤：工程项目的了解、结构载荷计算、计算工况确定、有限元计算分析和计算结果的评定。

2.1 荷载计算

（1）结构载荷

气柜的结构载荷主要包括气柜主体结构自重、调平装置及配重块重量、内压力、T围栏重量及活塞装置重量，平台活荷载为2500 N/m2。

（2）风载荷[1]

风载荷按照GB 50009—2001《建筑结构荷载规范》等进行计算。风压标准值按下式进行计算：

式中Wk——风载荷标准值，kN/m2；

βz—z高度处的风振系数；

μs——风载荷体型系数；

μz——风压高度变化系数；

W0——基本风压。

（3）地震载荷[2]

地震载荷按照GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》等来进行计算。

式中T——结构自振周期，s；

TG——结构的特征周期；

a——水平地震影响系数；

amax——水平地震影响系数最大值；

FEk——结构总水平地震作用标准值；

Geq——结构重力载荷代表值。

（4） 雪载荷

雪载荷按照GB 50009—2001《建筑结构荷载规范》等进行计算。雪载荷标准值按下式进行计算：

式中Sk——雪载荷标准值，kN/m2；

μr——屋面积雪分布系数；

S0——基本雪压，kN/m2。

2.2 计算工况的确定

本项目的计算共分四种工况[3]： （1）静载荷工况 （主体结构自重+雪载荷+调平装置+配重块），该工况主要校核各构件在静载工况下的受力及变形情况，同时提取静载工况下的地基基础数据；（2）静载荷+地震载荷 (包括活塞系列装置在地震时产生的水平力)+0.25倍风载荷组合工况，该工况主要校核结构在地震作用下的受力及变形情况，同时提取地震工况的地基基础数据； （3）静载荷+风载荷组合工况，该工况主要校核结构在风载下的受力及变形情况，同时提取风载工况下的地基基础数据； （4）静载荷+内压+风产生的吸力组合工况，该工况主要校核壁板及环梁的受力情况。

2.3 有限元计算分析

本工程计算采用国际通用软件ANSYS[4]来完成，选用BEAM 188梁单元和SHELL 63壳单元分别模拟结构中的梁柱和壁板，选用MASS 21质量单元模拟活塞装置等。BEAM 188梁单元是一种可用于承受拉、压、弯、扭的单轴受力单元。该单元的每个节点有六个节点自由度，即沿x、y、z轴三个方向的平动自由度和绕x、y、z轴三个方向的转动自由度。由于单元的结点自由度数目相同，因此BEAM 188梁单元与SHELL 63平板壳单元可以共用结点，以保证梁和壳体相交处有共同的变形。BEAM 188可以准确地模拟梁柱等杆件的形状和偏心位置等特性，这样就可以准确地模拟结构的整体失稳和圆柱壳、顶壳局部失稳的真实情况。采用MASS 21质量单元来模拟活塞装置，可以计算地震工况下活塞对主体结构的影响。

（1）计算模型的建立

由于结构复杂，按照界面操作或编写APDL命令流程序都比较繁琐，容易出错，效率不高，而采用界面操作和命令流相结合的方法则可灵活建模，易修改，效率高。为了便于杆件的选取操作，可以将杆件分为立柱、筒体环梁、筒体纵梁、拱顶环梁、拱顶纵梁和走道梁等，每种类型杆件以不同的材料属性编号，这样在选取杆件时就可以按照材料编号进行快捷选取，并进行其它的操作。建模采取先由点到线，对线赋予杆件属性，包括截面形式、截面参考点等，然后采取由线旋转成面的方法，对新产生的线进行选取显示，赋予属性，这样有计划有步骤地对所有杆件的属性进行设置，每一步确定正确后提取LOG文件，提炼出有用的命令流，编辑保存下来，需要重新做时就可以用命令流迅速地恢复模型。由于杆件的截面形式不同，放置方向也不一样，因此在截面分配时参考点要按分类逐一设置，完成后还要检查设置是否正确。在整个建模过程中要灵活运用坐标系的转换，进行柱坐标系下拷贝以及对重合关键点或元素进行合并操作。对不规则的结构集中进行处理。按照以上的建模方法进行建模思路清晰，可以达到事半功倍的效果。

模型完成后对18根立柱的柱脚和底层壁板下边缘进行固定约束，然后施加不同工况下的载荷就可以完成计算。在进行抗震计算时，还需要考虑活塞装置对气柜主体结构的影响。因此，将活塞装置简化为刚性质点，采用MASS 21单元。又因其重量靠气压来平衡，主体结构不承受活塞重量，所以要对其质量属性设置为0，把刚性质点和立柱上的活塞轨道点连接设置为刚性区域，用于传递活塞装置地震时产生的水平力。气柜主体结构模型如图1、图2所示，静载工况分析模型如图3所示。

（2）计算结果的提取

这里仅给出了静载工况下的计算结果，如图4、图5、图6所示。

（3） 结果评定

由图4、图5可知，静载工况下结构的最大应力值为57.2 MPa，最大应力的位置为拱顶纵梁和立柱连接区域。由图6可知，结构的最大变形在拱顶风帽区域，最大下沉量为9.387 mm。

图1 气柜主体结构模型

图2 气柜拱顶与立柱连接处杆件局部放大图

图3 静载计算模型

图4 气柜主体结构等效应力分布云图

图5 气柜杆件最大应力分布

图6 气柜主体结构变形分布云图

3 结论

本文主要研究了大型干式气柜的有限元分析方法，详细阐述了该项目的整个计算过程和步骤，包括复杂结构的简化建模、分析单元类型的选用以及确定边界条件、载荷和计算工况等。通过本文提出的气柜有限元计算方法，可以快速地处理复杂结构的建模，减少错误，提高效率。本文的方法对从事大型气柜强度计算分析的人员具有重要的参考借鉴价值。

[1] 中华人民共和国建设部.建筑结构荷载规范 [S] .北京：中国建筑工业出版社,2006.

[2] 中华人民共和国建设部.建筑抗震设计规范 [S] .北京：中国建筑工业出版社,2010.

[3] 王松汉.石油化工设计手册 (第三卷)：化工单元过程[M] .北京：化学工业出版社,2001.

[4] 祝效华，余志祥，等.ANSYS高级工程有限元分析范例精选 [M] .北京：电子工业出版社,2004.