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动影响都较大，风振系数的方法并不方便。因此我国规范规定，对于基本自振周期T1大于0.25s的工程结构，以及对于高度大于30m其高宽比大于1.5的高柔房屋，均应考虑风压脉动对结构的顺风向风振的影响。风振计算应按随机振动理论进行。
3.4风对结构的作用
风荷载是各种工程结构的重要设计荷载，对于高层房屋、高耸结构、大跨屋盖、桥梁等，常常起着重要作用。对于一些高柔性的非线性结构，在风荷载下结构会产生较大的变形，因此结构的风振分析中还需要考虑流固祸合现象。
风荷载是随机荷载，并不是确定性荷载，一次强风规律并不能反映过去和将来的某次强风规律，重复性的机会很小，用确定性荷载分析的方法不能保证结构将来所具有的安全度，因此应该用概率统计的方法来分析，其动力部分采用随机理论来研究。
风对结构的作用主要有以下几个方面:
1．与风向一致的风力作用，包括平均风和脉动风作用。平均风是风中的长周期 部分，由于其周期远大于一般结构的自振周期，因而对建筑物的作用相当于静力。脉动风是由于风的不规则引起的，它的强度是随时间按随机规律变化的。由于周期较短，因而其作用性质是动力的，引起结构的振动。一般结构都要考虑顺风向振动。
2．横风向(与风向垂直)作用。风流经过结构时，其产生旋涡会引起结构横风向 的振动，其振动按雷诺数大小可分为三个范围，亚临界，超临界和跨临界范围。亚临界和跨临界范围旋涡脱落引起的振动式确定性周期振动，中间的范围即超临界范围却是随机振动。对自立式细长柱体结构，特别是圆形截面结构物，都不应忽视这种振动。
3．风力下产生的失稳式效应。由于结构的截面形状以及风的攻角(气流方向与截面主轴的夹角)，结构可以产生负阻尼成分。当风速达到某值时负阻尼大于正阻尼，结构振动越振越大，即产生失稳式风效应。一般细长结构和高柔性结构可能发生。
4．由别的建筑物尾流中的气流引起的振动。
3.5脉动风模拟理论
功率谱密度作为平稳随机过程的重要统计特征，完全能够表征随机过程的特征，因而被用作数学模型和合成方法的主要特征参数。由于脉动风为各态历经的随机过程，所以脉动风的模拟理论也从随机过程理论引入，目前主要是将风的谱密度函数通过傅立叶变换来得到风速时程。
目前模拟脉动风风速的时程曲线主要是两种方法:(1)AR法，为采用自回归模型的线性
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滤波法；(2)谐波法(WAWS法)，基于一系列三角级数加权叠加的谐波合成。这两种方法各有其优点和不足，都是从模拟单一脉动风的风速时程曲线发展到多个相关风速时程曲线的模拟。此外，蒙特卡罗法等也可用以模拟随机过程。
从计算角度来看，采用自回归线性滤波器法的模拟技术进行风荷载的随机模拟是非常有效的。且具有计算量小、计算简捷、并且考虑风速模拟中的三维相关性等优点。而对于谐波合成法，由于是用一系列具有随机频率的三角函数序列来模拟随机过程，当模拟的维数较大时，要在每个频率上进行大量运算，随机频率的生成相当耗时，运算效率相对较低，对计算机性能要求较高。
3.6塔式压力容器所受风压的公式推导
在对风载荷进行动力响应分析时，必须弄清楚风压的影响因素，其风压计算公式为
qvt?K1fzK2q0，在很多资料中描述的都比较繁琐, 而其它资料中只是直接引用, 并未推导。本文将其归纳推导一下, 为下一章做塔式压力容器的风载荷分析做铺垫。
在前面几节中已经介绍，风分为平均风和脉动风。平均风对结构的作用相当于是静力的, 脉动风对结构的作用是动力的, 结构将产生结构风振。下面分别来讨论这两种风对塔式压力容器的影响。
3.6.1平均风对塔器的静力作用
考虑平均风时, 基本风压为： q0?12?v （4.16） 2式中?为空气密度，v为平均风速，平均风速是根据当地平均风速的观测资料作出的风速极大值, 即平均风速极大值是个随机变量。 (1)考虑塔器高度变化的影响
实际当中, 在10m 以下, 风速是沿高度按指数规律分布的, 即任意Z 处的风速为:
?Z?vz?v0?? (4.17)
?10?式中a为地面粗糙度系数，v0为平均风速的基准值，Z指高度。 则各类地区的高度Z处的风速与平均风速基准值之比为：
avzAvo?0.89Z0.12 （4.18）
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vzBCvzvo?0.692Z0.16 （4.19）
vo?0.533Z0.20 （4.20）
qz如果定义
q01??v??2?12??v2z20vz2?2?fz是基本风压受高度影响的系数, 则 v0qzA?fzAq0?0.794Z0.24q0 （4.21）
qzB?fzBq0?0.479Z0.32q0 （4.22）
Cqz?fzCq0?0.284Z0.40q0 （4.23）
(2)考虑塔器外形的影响
基本风压中并没有考虑到结构的体形对风压的影响。各种类型的化工设备有着不同的外形, 但在相同的风速条件下, 平均风压沿着结构的分布是不同的。体形影响的程度受空气的雷诺数R e 的控制。一般地, 当Re≤115×105, K1= 112; 当Re≥4×105, K1= 017。本课题中研究的多是圆柱形的直立压力容器, 在标准《钢制塔式容器》中,规定K1= 017。通过以上可知: 风压大小与基本风压(也可以说平均风速极大值)、高度变化系数、体形系数有关, 这是由风的静力性质决定的。即平均风速极大值下的风压为
qv?K1fzq0 (4.24)
3.6.2脉动风对塔器的动力作用
脉动风速的特性用幅值和频率来表示。脉动风速v f 与平均风速相同, 也是一个随机变量, 其概率密度函数、累积分布函数为
?v2?1ff?vf??exp??（4.25） ?2??? ?2????v2?1fexp??dvf （4.26）? F?vf??? ??2??2???????式中vf为脉动风速，为脉动风速的标准差
脉动风速的频率特性用其功率谱密度Svf来表达, 常用以下经验公式
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24kv0x2Svf?n??
n?1?x2?4/3 （4.27）
式中k为10m 高处响应的地面阻力系数,与地面粗糙度有关, 取0.003～0.03,v0为10m 高处的平均风速，n为频率，x为10m 高处1200m 行程内的脉动次数
则脉动风速的方差为
????将上式代入（4.27），可得?vf22vf?? ?S?n?dn （4.28）
vf2?6kv0
同理, 脉动风速对应的脉动风压的功率谱密度
Sqvf?n??且脉动风压的方差?qvf24kqvf2nx2?1?x?24/3 （4.29）
??Sqvf?n?dn
由上述分析可知, 总风速vt?v?vf, 即总风速为平均风速与脉动风速之和。由式(4.16) 可知, 平均风速对应的风压qv?12?v，则总风速对应的总风压为： 2qvt?qv?qvf?121?vt???v?vf22?2 （4.30）
3.7本章小结
本章详细介绍了风的定义、成因、等级，风的特性以及风速功率谱，风对结构的作用以及脉动风模拟理论，并对塔式压力容器所受平均风和脉动风风压公式进行了归纳和推导，并为下一章焦炭塔的风载荷动力分析做铺垫。
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第4章 数值模拟分析方法
4.1数值模拟技术及其实现
4.1.1数字模拟技术及方法
目前数值模拟技术已越来越被工程技术人员和科技工作者所重视，并被应用于各领域的研究。采用数值模拟技术对各种物理过程进行计算机模拟，有助于加深对理论问题的认识和理解，对科学推测进行检验，对新技术和新方法进行验汪，从而指导科学研究的方向，加快分析的进狸，节省大量实验费用和避免不必要的人力物力的浪费。
数值模拟是指采用一组代数的或微分的控制方程来描述一个过程或一个过程的某些方面，通过计算机求解，得到计算域内所有有关变量完整而详尽的值。在数值模拟中常用的计算方法有：有限元法、有限差分法和边界元法。其中，有限元法是目前公认的用途最为广泛的方法，普遍用来分析应力场、温度场、电磁场、流场等多种场问题并取得了成功。 4.1.2有限元法的基本原理
有限元法将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式联结在一起的单元的组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同形状，因此可以模型化任何形状复杂的求解域。利用在每一个单元内假设的近似函数来分片地表示全求解域上待求的未知场函数，这样，未知场函数及其导数在各个节点上的数值就成为新的未知量，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。求出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似解。 4.1.3有限元软件的选用
本分析采用目前在国际上应用极为广泛的商用有限元计算软件ANSYS对焦炭塔风加载过程进行数值模拟。1995年10月，该软件已通过全国压力容器标准化技术委员会的测试，并被认可为与压力容器分析设计标准(JB4732—1995)相适应的有限元分析软件，用于压力容器分析设计。
对于本分析来说，该软件具有以下适宜的优点：(1)建模功能操作简单、修改方便、易于模型各向视图的察看。这对于本文二维轴对称和三维实体模型的建立，提高了效率。(2)具有网格自动划分、单元质量控制和单元质量评价等功能，能实现网格的快速划分并确保计算精度。(3)软件能自由添加接触单元，方便的定义接触单元的属性，并具有可靠的计算非线性接触边界问题的方略，因此能够有效的模拟焊缝和母材的接触状况。(4)软件具有友好的材料特性定义界面，有材料非线性结构分析功能。(5)运用ANSYS软件可以任
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