基于ANSYS的钢烟囱塔架结构分析软件开发

辛学涛，王玉宇，叶示舟，沈皑

（华东建筑集团股份有限公司，上海 200041）

1 研究背景

1.1 钢烟囱塔架结构特殊性

钢烟囱塔架结构（见图1），是一种不同于常规通信塔的结构，高几十米，有直立形、悬式等多种结构形式[1]。直立形为中间树立烟囱而塔架围绕烟囱搭建，烟囱和塔架间有止晃结构传递力。悬式烟囱为玻璃钢或薄壁烟囱悬挂在塔架上，筒体通过悬挂和止晃结构与塔架连接，烟囱有1~4管。塔架最外层会根据美观要求增添外彩钢装饰板，外装饰的镂空率直接影响到了结构的风载大小。烟囱塔架的腹杆支撑、横隔布置等设计形式也是多样的。

该结构的分析建模流程烦琐但具有规律性，且结构的力学模型如止晃结构、外装饰造成风载和附加质量等具备一定的特殊性，在当下钢结构主流分析软件（3D3S、MIDAS，SAP2000）里找不到完全适用的模型，也没有对应模块可以快速准确地完成计算来评估设计。因此，从简化工作，提高效率的角度需要一种订制软件有针对性地做钢烟囱塔架的结构计算。

图1 钢烟囱塔架

1.2 有限元二次开发调研

ANSYS软件作为业内常用的商业化软件，提供各类接口，可供二次开发[2-3]。当下普遍使用的二次开发方法为使用ANSYS内嵌APDL语言做内核，通过界面窗口输参数驱动计算流程。本文在此方法基础上开发了钢烟囱塔架的计算程序，并做了若干优化，程序有以下优点：

1）充分利用了ANSYS的丰富单元库，对烟囱和塔架的力学关系定义更准确；

2）利用Excel文件作为参数的输入源，根据规范插值拟合，简单实用，易保存。

该程序开发的方法有效规避了以下问题：

1）过往参数依赖于程序窗口输入，不易保存且易读性差，参数多的时候窗口填写麻烦；

2）直接程序写出的APDL命令流文件的保密性差，容易外泄公司积累的Know-how；

3）钢结构产品类节点计算需对总体计算结果做后处理提取，提取的过程较为低效。

2 钢烟囱塔架计算工况

钢烟囱塔架结构为高耸结构，需要考虑的载荷类型包含：结构自重、活荷载、风荷载、冰雪荷载、地震荷载。参数如烟囱、塔架的体型系数等计算依据规范[4-6]，结合项目所在地具体条件定义。关于结构的短期效应组合和长期效应组合，考虑了5种工况组合如下[7]：

1）1.2 ×恒荷载+1.4×0.7×活荷载+1.4×风荷载；

2）1.2 ×恒荷载+1.4×0.7×活荷载+1.4×0.7×风荷载+1.40×冰荷载；

3）1.35 ×恒荷载+1.4×0.7×活荷载+1.4×0.6×风荷载；

4）1.2 ×恒荷载+1.4×0.5×活荷载+1.4×0.2×风荷载+1.3×地震荷载+1.2×冰荷载；

5）1.35 ×恒荷载+1.40×0.7×活荷载+1.4×0.7×风荷载+1.4×0.7×冰荷载。

其中，风荷载有0°吹角和45°吹角两种情况（以四方塔为例）。

3 产品二次开发程序介绍

3.1 计算模块

计算模块的开发依据于APDL语言，由两部分构成：建立塔架烟囱模型的建模文件和用于计算每个单独工况和工况组合的计算文件。

塔架建模分为若干类：塔架的柱、腹杆、主梁、次梁，以beam188单元模拟并赋予截面类型，烟囱模型为shell181单元，与塔架通过combin14模拟结构的止晃结构来耦合烟囱和塔架的位移。塔架高度方向上腹杆加强筋设计型式、横隔布置型式较复杂，如图2所示，在做每层的参数输入时可以选择其具体的设计型式，这些基本的结构形式及其相互的几何关系被作为固定标准结构形式在ANSYS中建模。

图2 布置形式

APDL中通过坐标选择每层的结构件，采用定义component+层数组编号的形式按层定义每层的柱、腹杆、次腹杆、主梁、次梁，以每层结构子类别如柱、次腹杆等为最小单位定义型材选型及做相应的加载，对应命令为“cm，构件组名+层数，line”。型材截面库为程序事先生成且可以后期维护的，在程序中通过对应latt命令赋予对应结构件型材属性。

风载、地震计算的过程需要参考现有规范定义，根据规范[4]垂直作用于结构表面单位面积上风荷载标准值wk按式（1）计算：

式中，μs为风荷载体型系数；μz为在高度Z处的风压高度变化系数；w0为基本风压；βz为高度Z处的风振系数。

式中，ξ为脉动增大系数；ε1为风压脉动和风压高度变化等的影响系数；ε2为振型、结构外形的影响系数。

风荷载计算分为两部分：塔架部分和烟囱部分。塔架结构的挡风系数定义如下：关于风荷载体型系数μs，根据规范[4]表4.2.7中对应塔架结构的选取。当塔架本身是透风时风荷载会加载在烟囱上，参考规范[4]中关于悬臂圆形烟囱的风载定义，迎风面宽度按照烟囱的直径，烟囱的风荷载受力被通过surf154加载在烟囱迎风面180°本体上。

结构的模态计算结果因为风载定义需要，是必要的一个输入，程序的计算流程如图3所示。计算分单工况和多工况组合两类，用LCWRITE命令写入，给予特定的单工况以特定编号和文件名方便后续检索查看，另通过LCOPER命令对多工况叠加操作。

图3 计算流程

建模主体程序被通过ANSYS自带的/encrypt,mypaswod,宏文件名,mac和/encrypt命令加密成带有固定文件名的宏命令，文件固定命名例为“Type1”并被打包程序安装至ANSYS运行目录下的APDL目录中，可以被后续程序生成的命令文件调用。同理，常用的型材文件也被封装做好编号存放在APDL目录下供调用。

在建模计算宏文件之上程序又通过Python创建了高一层的计算宏文件，该层宏文件包含了两部分：参数输入界面生成的参数组和调用建模宏命令及求解命令，建模宏如上文提及的Type1文件。通过python中的open(“高一层宏文件名”“w”)以及write和close命令创建该计算文件，其为实际在ANSYS运行的宏文件，如模态计算文件命名为Command2。

程序与ANSYS的互动调用方式也分为两类：

1）在ANSYS中建模和做模态工况求解时采用的是ANSYS批处理命令模式，调用上文提到的Command2文件，在Python中通过subprocess.call启动批处理命令。

2）对于单工况、多工况计算，为在ANSYS窗口模型文件打开的基础上，在菜单栏里调用位于工作目录下程序生成的计算宏文件。

3.2 输入模块

输入模块包含两部分，一部分为PyQt编制的程序窗口，另一部分为参数输入Excel文件，通过主窗口的“产品类型”下拉框来选择打开相应类型的输入文件，程序界面如图4所示。

“产品类型”下可以选择“等截面自立烟囱塔架”“等截面悬式烟囱塔架”“三角斜塔自立烟囱塔架”等结构形式。指定工作目录后，后续步骤的Excel、计算文件均在该目录存储。

图4 Pyt hon用户界面

“计算文件名”输入名称如“Tower1”，本次计算生成的所有文件名将会以该名称开头。

点击“Excel输入”，会打开Excel进行参数输入，第一步仅需输入塔架的几何模型参数，完毕后保存，点击“生成参数文件”按钮，选定刚才保存的Excel文件生成工作目录下带默认文件名的参数文件。点击“模态求解”按钮，启动ANSYS求解，程序自动调用该文件。

求解完成后，在Excel文件中填入对应的模态频率信息，完成风荷载插值保存，再次点击“生成参数文件”按钮，选中刚才保存的Excel文件，生成具备风载荷信息的参数文件，选中相关的工况，点击“生成计算文件”。图5展示了四方形等截面单烟囱塔架结构的输入Excel界面，型材可以通过二级下拉菜单选择相关的具体型号，这些型材型号对应3.1定义好的特定截面编码，通过内置公式计算出迎风面积等参数。

关于Excel表数据的提取，程序利用Python的pandas模块将数据读出，使用命令*.read_excel和*.to_csv写入参数组文本文件，生成的文件名以“计算文件名”一栏中的内容打头，并在高一层的宏文件中引用生成最终文件。

4 算例

以某50 m高四方形直立悬式烟囱塔架为例做计算演示，结构有两根悬式烟囱，悬式烟囱为薄壁不锈钢+保温棉，尺寸如图6所示。该项目地基本条件见表1。

输入参数后，计算得到结构自振频率为1阶频率1.17 Hz，2阶频率1.26 Hz，列举结构的振型如图7所示。另有组合工况计算评估结构变形和应力，较SAP 2000等软件，ANSYS可以输出梁单元的综合应力，结果更直观，如图8和图9所示。

图5 Excel录入数据

图6 烟囱筒壁结构算例尺寸定义

表1 项目场地条件

图7 第一、二阶频率

图8 地震载荷计算

图9 风载荷计算

5 结论

本文介绍了针对烟囱塔架该特定结构类型所做的二次开发工作，除力学模型更符合结构实际受力特点之外，软件对计算工作又做到了节约近90%时间，工作效率显著提升，推动了产品标准化工作。在现有基础上还可以做进一步的深化拓展，为使用者创造效益，具有实际使用价值。