基于ANSYS的直立塔设备动力特性研究

穆凤芸+赵勇

摘要：运用理论计算和ANSYS分析两种方法，对直立塔设备的自振频率及振型进行了求解，通过对两种结果分析比较，指出ANSYS 11.0软件的单元类型在塔设备的模态分析方面准确、可靠。

关键词：ANSYS 直立塔设备 动力特性

1引言

随着石化生产装置向大型化发展，安装于室外的直立塔设备整体结构变得即高又柔，在风力作用下产生振动时的阻尼越来越小，使得结构对风载荷的反应加大。风载荷使塔设备产生顺着风向的振动和横向振动或诱导振动。横向振动对塔设备的破坏性比顺风振动大得多。

当风以一定的速度绕流过圆柱形的塔设备时，会在塔体的背后产生漩涡，当40≤Rε150时，漩涡在尾流中有规律地交错排列成两行，塔设备两侧的漩涡会交替产生和脱落，使塔设备在与风向垂直的方向产生诱导振动，其振动的频率与漩涡形成或脱落的频率一致。

当漩涡脱落的频率与塔设备的任一振型自振频率一致时，塔设备就会产生共振。

2塔设备自振频率的理论分析

根据直立塔设备的结构特点，可将其看作为一端固定，一端自由的悬臂梁结构。研究表明，阻尼对高大直立塔设备的自振频率及振型影响较小，因此，在分析计算时略去阻尼影响，将其简化为无阻尼自由振动。

对直径或壁厚不等的高大直立塔设备，在工程实际分析中，通常采用简便实用的近似方法计算一阶自振频率及振型。折算质量法是将多自由度体系的多个集中质量或无限自由度体系的分布质量，用一个集中质量来代替，使一个多自由度体系或无限自由度体系简化成一个当量单自由度体系。

第1阶振型的振型函数假设不同，相应自振周期计算结果差异会很大，振型函数越接近实际，自振周期计算结果越精确。

3 ANSYS分析直立塔设备的自振频率及振型

本文采用ANSYS 11.0进行建模、分析。为了与理论计算结果进行比较，在进行建模时，保持了与理论分析一致的假设。

3.1有限元分析模型构建

在进行塔设备的模态分析时，需要建立简化合理的有限元模型，本文构建了三维的有限元模型。采用有限元模型計算直立塔设备的自振频率，基于以下的简化和假设：

（1）三维有限元模型采用了ANSYS 11.0软件的Structural Solid，Quad 4node 42和Structural Solid，Brick 8node 45两种实体单元对浮阀塔结构进行有限元划分。

（2）对直径或壁厚不等的直立塔设备，分析计算时将其分为数段，每段的等效密度用该段的操作质量除以该段塔体几何模型的体积，即：ρi= mi/Vi 。

（3）实体结构单元是一种面单元，具有4个节点。利用该平面单元对塔设备横截面进行有限元划分，通过沿平面法线方向分段拉伸，得到实体结构单元，具有8个节点。单元的材料特性可通过材料模型特性进行定义。

3.2模态分析

ANSYS 11.0软件的模态分析功能是对塔设备进行动态分析的基础。通过对结构进行模态分析，可以很容易得出结构的各阶自振频率，并对结构在各阶自振频率上进行动态模拟。

建模时塔设备的底座采用与理论计算相同的固定端假设，即假定浮阀塔设备的底部为完全约束状态，且位移值为0。

利用ANSYS 11.0软件模态分析的Block Lanczos法提取浮阀塔的前3阶自振频率并观看振型模拟动画。

4变截面浮阀塔算例

4.3结果比较

将浮阀塔前3阶振型自振频率的理论计算结果与ANSYS 11.0分析结果进行比较，见下表。

在工程上采用ANSYS 11.0软件的实体结构单元对塔设备进行模态分析，能够得到与理论计算结果基本一致的自振频率。

5结论

模态分析结果显示表明，相同条件下的理论计算值与三维有限元模型的模态分析值及其接近，对变截面塔，第一振型的相对误差为0.25%。有限元模态分析不但能高效计算塔设备的高阶振型频率，而且能动态显示塔设备在各阶振型时的振动曲线变化过程，极大地方便了塔设备的自振频率工程分析计算。

参考文献：

[1]张朝晖.ANSYS 11.0结构分析工程应用实例解析.机械工业出版社，2010.170.

[2]路秀林，王者相.化工设备设计全书.化学工业出版社，2004.235.