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带导向支架的细长塔设计方法  

2016-07-07 11:00:02|  分类: 压力容器 |  标签: |举报 |字号 订阅

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关于带导向的细长塔设计,在文章http://vcad.blog.163.com/blog/static/21570508020152995045775/
http://vcad.blog.163.com/blog/static/215705080201571492423646/ 中有些粗略的描述,现在系统地将原理,思路,操作方法表达如下。

对于细长塔的计算过程中风载荷、地震载荷造成的弯矩以及设备的挠度会非常大,此时如果按照常规塔来设计,壁厚将会变的非常厚。考虑到细长塔一般放置在框架中,且设置一个或多个导向支架,能大大降低了设备的弯矩和挠度。我总结了一种考虑导向支架作用的细长塔的通用计算方法,通过分析塔器设计原理,结合SW6,EXCEL,ANSYS软件,快速、合理的解决此类设备的计算。

一般的塔式容器按照NB/T 47041-2014设计,校核设备在各种工况下,各种载荷(内外压、风、地震载荷等)作用下的各个截面的应力水平,计算塔顶部的挠度值,并将其控制在一定的许用范围。采用SW6软件能非常方便快速的解决塔的设计。在化工装备中,还有许多放置在框架结构之中的含导向支架的细长塔。由于塔身细长,所以设备的风、地震载荷产生的弯矩和挠度较大,而设备筒节的抗弯模量与壁厚为线性关系,惯性矩与壁厚近似线性关系,即加厚设备厚度对于提高筒体的抗弯性能,降低挠度效果非常不明显, 在风和地震控制的细长塔,需要将下部筒节加厚到非常厚才能通过计算。在某项目中,由内压所需要的计算厚度为8mm,而为了满足弯矩和挠度要求筒体厚度需要增加到34mm。

一般细长塔放置在框架结构之中,设备自重、内外压等产生的轴向周向载荷由设备承受,而一部分风和地震载荷通过导向支架将传递给框架承担。导向支架限位装置只允许塔体在轴向自由伸缩,限制了径向摆动,降低了风、地震载荷产生的弯矩和挠度,使设备受力大为改善。

目前对带导向支架的塔设备没有成熟的方法,有人采用有限元做塔器整体分析,优点是能够计算出结果,缺点是无法完全模拟风和地震等塔器的各种工况,耗时长,精度低,对人员要求非常高,每个设计人员得到的结果都不同。有人采用公式推导法计算弯矩和挠 度,优点是可参照塔设备进行推导,模型一致。缺点是推导太复杂,对于不变径的一个导向的设备勉强可用,多个导向公式推导非常困难。本文将介绍一种考虑导向支架的影响的塔设备的计算方法,即充分考虑导向的支撑作用,计算的复杂度又不是太高。

 其计算的核心是计算带导向时的风弯矩和地震弯矩。其模型是一个超静定结构,求解非常困难。而这个问题用有限元梁单元来求是非常简单的。将计算各个截面的弯矩的问题转换成计算有限元梁模型的各个段内部单元最大的弯矩值。本计算方法的计算步骤如图1所示:

带导向支架的细长塔设计方法 - vcad2013 - VCAD的博客
为了使有限元模型等效于实际计算模型,可按如下方法实施:
1. 塔器计算模型的每个截面处等效于有限元模型的节点处。
2. 塔器计算规范中将每段筒节的最高处的风压作为整段的均布风载荷。设第i段的顺风向水平风力为Pi,此段的长度为Li,则在此段上施加均布载荷Pi/Li。有限元风载荷施加与规范一致。
3. 塔器计算规范中将每段筒节的水平地震力F1k从重心处移动到每节的最高处,有限元地震载荷施加比规范保守。
4. 将塔裙座底板按照固支计算,与模型一致。在导向处施加uy=0的位移约束。
其实最大的麻烦在于如何计算风和地震载荷的等效载荷。
风和地震载荷有两种方法计算。一种是按照规范的要求,每一段筒节单独计算,缺点是比较繁琐、容易出错。为了使计算更全面,推荐从计算书中提取风载荷和地震载荷。不过SW6的计算书结果中没有风载荷水平推力的值,只有各个截面风弯矩的值,所以需要进行一些转化。我们知道不考虑横向风载荷时任意截面处的风弯矩按照NB/T47041-2014的式(35)来计算
带导向支架的细长塔设计方法 - vcad2013 - VCAD的博客
将上面各式相减得
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 写成矩阵形式为:
带导向支架的细长塔设计方法 - vcad2013 - VCAD的博客
 式3转化成简写形式[L][P]=[ΔMw]。已知[L] 和[ΔMw],可解方程得[P]= [L]-1 [ΔMw]。 矩阵的逆[L]-1,可以通过EXCEL自动求解。先将矩阵[L]输入表格内,然后用minverse求得矩阵的逆[L]-1,再将[L]-1与[ΔMw]用函数mmult做矩阵相乘,则可得到[P],即各个段筒节的风载荷水平推力。将水平推力除以筒节长,可得各段的单位长度上均布风压值。
不带导向的自支撑式塔计算时,风载荷被当做多段均布载荷分布在悬臂梁上,当H/D>15且H>30m时,还应计算横向风振。考虑带导向支架时,风载荷相当于多段均布载荷分布在简支梁上。由理论推导可知,当考虑横向风振时,简支梁的自振周期为悬臂梁的自振周期的23%,也就是说当考虑导向作用时,临界风速将比自支撑塔提高4.37倍,所以一般情况下均不需要考虑塔式容器的共振以及共振弯矩。
  所以当SW6的计算书得到当组合风弯矩值由横向风载荷控制时,由于有导向的作用,塔器的远离共振周期,实际横向风载荷小于SW6计算的横向风载荷. 再通过将各截面的组合风弯矩从上到下逐步增加的偏保守算法得到水平推力[P],满足工程应用。
同理可以得各段的地震载荷方程:
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 式4写成矩阵形式为[L][F]=[ΔMe],并求得方程的[F]= [L]-1 [ΔMe]。由于细长塔的质量本身不是很大,所以地震载荷一般都比风载荷小得多,决定塔强度的一般都是风载荷。
通过ansys计算各截面处的弯矩和反力比较简单,就不再赘述。
带导向支架的细长塔设计方法 - vcad2013 - VCAD的博客
 
带导向支架的细长塔设计方法 - vcad2013 - VCAD的博客
求解后可获得塔的各个截面上最大的弯矩值以及导向支架处的反力。将风弯矩和地震弯矩分别代入原SW6计算书,计算截面处最大的MmaxI-I并进行之后的手动完成后续的计算。
  导向处的反力用WRC107校核其对筒体的影响,校核合格后,将此载荷提交给结构专业,供其设计框架基础。
 做了一个列子:
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通过计算可以得到如下结论:
(1)导向对于细长塔的影响不能忽略。对风弯矩来说,下部筒节段考虑导向支架作用时的是不考虑导向支架作用的1/6。由于风弯矩和风弯矩相关的应力成线性关系,所以各个截面的应力值都大大降低。对比σ13-操作情况下弯曲应力引起的轴向力下降为原来的19.4%。经过核算,各个截面的应力值均有大幅下降,最后设备整体校核合格,并有较大的裕量。
(2)导向处的推力由风载荷决定,如果推力过大,可以考虑多加几个导向支架,分别核算各个导向支架处的推力。
(3)考虑导向后,设备的挠度大幅度降低。
(4)从结果可以看出无论是否考虑导向支架,地震载荷相比风弯矩来说比较小,决定最大弯矩的是风弯矩。所以如果想用公式法计算,为了简化计算,忽略地震载荷的影响是合理的。
(5)考虑导向支架后,设备φ800筒节厚度由原来的34mm降为24mm,裙座厚度由42mm降低为24mm。设备钢件重量由原来的31330kg降低到24000kg,可节约材料、制造、安装等费用。
总结: 
(1) 此方法的计算流程清晰明确,普适性强,计算量小,操作性强,结论可靠。由于采用有限元法求类似梁结构载荷问题非常方便,对结构没有限制,适应性强。
(2) 从推导可知计算书中提取风和地震力比较方便,比起手动计算能大幅度提高设计效率和精度。
(3) 增加导向后设备的弯曲应力、水平推力、以及挠度都大幅度下降,能够降低设备的壁厚,实现制造安装费用的降低,经济合理,节能减排。
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