基于ANSYS Workbench的某反应塔模态及地震响应谱分析

何志刚，程继余

(江苏天楹环保能源成套设备有限公司，江苏 南通 226602)

我国地震比较频繁，反应塔工作环境恶劣，容易受到较大破坏。反应塔抗弯刚度相对较小，是一种纵向和横向尺寸之比比较大的钢架和筒体的混合结构，在横向载荷作用下，地震载荷容易造成反应塔较大的振动和变形，并且地震载荷对反应塔有很强的破坏力，因此对反应塔进行模态与地震响应谱分析至关重要。有限元分析广泛应用于宇航、核、机电、化工、建筑、海洋等领域，是机械产品动、静、热特性分析的重要手段，ANSYS作为大型有限元分析软件具有成熟可靠的处理能力。本文通过SolidWorks建立三维实体模型，采用大型有限元分析软件ANSYS Workbench对反应塔的位移模态频率、位移振型以及地震响应谱等进行了分析和研究，为该类型的反应塔机构优化提供理论依据，为反应塔的抗震设计提供参考[1]。

1 建立反应塔有限元模型

反应塔由反应塔支架、检修平台、滑动支架、筒体、进风烟道、塔顶平台、顶部平台、高位槽等组成，反应塔主要受力构件是反应塔支架、检修平台和筒体，本文以反应塔支架、检修平台和筒体为主建立反应塔的有限元分析模型，反应塔高23.5m，支架宽6.2m，筒体直径8.2m，如图1所示。

反应塔材料采用Q235碳素结构钢，其材料属性见表1。

图1 反应塔有限元分析模型

密度/(g·cm-3)弹性模量/GPa泊松比屈服极限/MPa抗拉强度/MPa7.85200～2100.25～0.33235375～500

由于反应塔模型的总单元数较多，并且具有大量的振型，为了得到可靠的结果，同时考虑求解速度和计算精度，本文采用自适应分网方式进行网格划分，设置Element Size为100mm，共产生网格数量656 948个，节点数量1 284 075个。图2为反应塔网格划分示意图。

图2 反应塔网格划分示意图

2 反应塔模态分析

为了避免反应塔在各种工况下发生共振，通常需要计算反应塔的模态频率和振型。本文采用约束模态分析法，对反应塔的地脚螺栓孔施加固定约束[2]。反应塔前40阶非零模态频率如图3所示。

图3 反应塔前40阶非零模态频率

由于存在相似模态振型，因此本文具体分析第1，5，10，25，30阶模态振型，如图4～8所示。

图4 反应塔第1阶模态振型

图5 反应塔第5阶模态振型

图6 反应塔第10阶模态振型

图7 反应塔第25阶模态振型

图8 反应塔第30阶模态振型

反应塔第1，5，10，25，30阶模态振型的特点见表2。

表2 反应塔振型特点

3 地震响应谱分析

谱分析是模态分析的延伸，其可以将模态分析的结果与一种已知的谱联系起来，进而计算模型的位移和应力，以确定结构对随机载荷的动力响应情况。在工程中，响应谱用来分析载荷谱的响应情况[3]。

本文采用单点反应谱响应分析，分别对反应塔地脚螺栓孔施加固定约束，对反应塔进行八级地震设防烈度下的机械强度分析。本文采用常用的地震波谱数据，其频率-加速度响应曲线如图9所示。

图9 频率-加速度响应曲线

通过仿真分析求得反应塔在地震载荷下的等效应力云图和位移云图，如图10～11所示。

图10 反应塔等效应力云图

图11 反应塔位移云图

从图10可知，反应塔应力最大值为161.88MPa，位于反应塔地脚螺栓孔处，小于材料Q235的屈服极限235MPa，因此反应塔强度满足抗震强度要求。从图11可知，反应塔变形最大值为8.165mm，小于《建筑抗震设计规范》要求的最大变形70mm[4]，因此反应塔满足地震试验的变形要求。

综合以上分析可知，该反应塔满足地震试验的抗震要求。

4 结束语

本文对反应塔进行了模态分析，结果表明该反应塔具有良好的受力性能，其结构内力分布均匀，刚度大、位移较小；反应塔低阶模态主要为筒体顶部扭转振动与支架下部弯扭耦合振动，高阶模态主要为筒体底部扭转振动与支架上部弯扭耦合振动，振型的多样性表明反应塔的动力特性比较复杂。依据地震响应谱分析，反应塔地脚螺栓孔承受应力较大，筒体顶部位移较大，但塔体的整体刚度大，符合抗震要求。