焦炭塔結(jié)構(gòu)模態(tài)分析范文
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《機(jī)械工程師雜志》2014年第五期
1焦炭塔結(jié)構(gòu)及基本參數(shù)
焦炭塔的結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示，采用的容器規(guī)格為準(zhǔn)6000×30975，整個(gè)容器由塔體和泡沫段以及生焦段組成，其中，球形封頭、上下筒體和錐形封頭組成塔體，采用的泡沫段筒體的壁厚為28mm，充焦段的壁厚為32mm，錐形封頭和下筒體以3000mm的半徑過渡，壁厚為32mm，而上封頭采用和上筒體一樣的復(fù)合鋼板，壁厚為28mm。塔體和焦炭材料性能如表1所示。
運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件來進(jìn)行模態(tài)分析，可以確定焦炭塔的固有頻率和振型［5］，分別采用板殼單元和實(shí)體單元對(duì)焦炭塔進(jìn)行模態(tài)分析，比較出兩種不同類型單元對(duì)模態(tài)分析的異同。從圖5的固有頻率曲線可以看出，實(shí)體法與板殼法前6階的頻率基本接近，后面4階存在差異，特別是第9、10階固有頻率區(qū)別明顯。對(duì)于焦炭塔而言，當(dāng)外界激勵(lì)頻率與固有頻率相近或相等時(shí)，產(chǎn)生的模態(tài)應(yīng)力最大，對(duì)焦炭塔的危害也最大［6］。而在實(shí)際的應(yīng)用中由于前幾階低頻對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性影響最為顯著，因此往往只考慮前幾階固有頻率的影響，而舍去高階模態(tài)［7］。根據(jù)有限元分析的結(jié)果可知，對(duì)于前6階振動(dòng)，無論是實(shí)體法還是板殼法，都以平行于x-z平面的振型為主，而從第7階開始，板殼法的振型圖出現(xiàn)了明顯的變形鼓脹，對(duì)于一般的薄壁容器來說，在載荷作用下，該現(xiàn)象是的存在是合理的，而實(shí)體法卻未能體現(xiàn)塔體的膨脹變形，這與實(shí)際的塔體變形不符，從第7階模態(tài)分析開始兩者分析的差距也逐漸增大。可見對(duì)于高階模態(tài)分析板殼法有更準(zhǔn)確的分析結(jié)果。
3風(fēng)的誘導(dǎo)振動(dòng)
早在20世紀(jì)的初期，一些鋼制圓筒形的煙筒在較低的風(fēng)速作用下，以較高的頻率在垂直方向產(chǎn)生振動(dòng)，并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，這種現(xiàn)象引起了人們的廣泛的關(guān)注，并開始對(duì)這種橫向振動(dòng)進(jìn)行研究。從塔的前半周，流體能從主流體獲得能量而使速度不下降(主流體增加能量大于摩擦減少的能量)，然而在塔的后半周，則情況相反，其速度會(huì)不斷地減少，導(dǎo)致邊界層不斷增厚。外界層主流體將繞過堆積的邊界層，使堆積的邊界層背后形成一流體的空白區(qū)。在逆向壓強(qiáng)梯度的作用下，流體倒流至空白區(qū)，并推開堆積層的流體，這樣在塔體的背后就產(chǎn)生了漩渦，這樣的漩渦通常稱為卡門漩渦（KarmanVortex）［8］，如圖6所示。在出現(xiàn)卡門漩渦時(shí)，塔體兩側(cè)漩渦交替產(chǎn)生和脫落。當(dāng)漩渦脫落的頻率與塔的固有頻率一致時(shí)，塔就會(huì)產(chǎn)生共振。塔產(chǎn)生共振時(shí)的風(fēng)速稱為臨界風(fēng)速，若采用斯特勞哈爾數(shù)Sr=0.2，則臨界風(fēng)速vcrj=5fjD=5D/Tj。（1）式中，vcrj為塔第j階臨界風(fēng)速，fj為塔第j階固有頻率，Tj為塔第j階固有周期，D為塔的外直徑。
4塔設(shè)備的防震
計(jì)算塔的固有頻率是計(jì)算地震載荷對(duì)塔作用的前提，這里以寧河天津波地震記錄的加速度參數(shù)，獲取位移—時(shí)間振動(dòng)圖像如圖7所示。如果塔設(shè)備產(chǎn)生共振，輕者使塔設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重彎曲、傾斜、塔板效率下降，影響塔設(shè)備的正常工作，重者使塔設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，造成事故。因此，在塔設(shè)計(jì)階段就要采取措施以防止共振的發(fā)生。地震波可用波形函數(shù)A（t）來描述，根據(jù)頻譜分析理論，A（t）可以看成是由無限個(gè)頻率連續(xù)變化的諧振動(dòng)疊加而成的，地震波的頻譜分析方法是以傅里葉變換為基礎(chǔ)的。根據(jù)以上圖形可采用離散傅里葉變換或FFT，傅里葉變換的數(shù)學(xué)表達(dá)式為A（f）=+∞-∞乙a（t）e-i2πft•dt。（2）最終得到焦炭塔的頻率—振幅圖像，當(dāng)焦炭塔發(fā)生共振時(shí)，所產(chǎn)生的應(yīng)力和位移都將最大，在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)避免因地震波所造成的對(duì)塔的最大損害。
5結(jié)論
焦炭塔模態(tài)分析采用了兩種方法，即實(shí)體法和板殼法，兩種方法通過ANSYS模態(tài)分析得出的振動(dòng)頻率在前面6階基本相同。因此在以后的設(shè)計(jì)中處理焦炭塔結(jié)構(gòu)振動(dòng)問題時(shí)就可以采用板殼法進(jìn)行計(jì)算與分析，避免了依靠人力計(jì)算的復(fù)雜性，大大提高了工作效率。在頻率較低的情況下，焦炭塔以垂直于x-y平面的振動(dòng)為主，而隨著頻率的變化，其振動(dòng)方向也會(huì)隨之有一定的變化，特別是當(dāng)頻率增大到一定值后，鼓脹變形的現(xiàn)象出現(xiàn)于塔體。在確定焦炭塔固有頻率之后，可根據(jù)相應(yīng)的公式預(yù)測臨界風(fēng)速的大小，避免焦炭塔的共振，為設(shè)計(jì)焦炭塔的安全使用提供理論依據(jù)。模態(tài)分析是動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，當(dāng)了解了焦炭塔的模態(tài)結(jié)果后，可進(jìn)一步了解其他特性，例如動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，抗震研究等，為焦炭塔的安全穩(wěn)定工作提供技術(shù)支持，延長其使用壽命。這也是本文下一步研究的重點(diǎn)。
作者：張應(yīng)遷吳恒項(xiàng)超單位：四川理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院