太原科技大学毕业设计（论文）
第5章 塔式压力容器模型的建立及其动力响应分析
塔设备是化工行业中最常用的设备之一。焦炭塔是炼油厂延迟焦化装置的重要设备，由于生产工艺的要求，其操作条件特别苛刻。焦炭塔作为一种大型、露天放置的直立设备，同时受到静载荷和动载荷的作用。静载荷包括：设备自重、内压、液体压力、偏心弯矩、连接管道应力、雪载荷等载荷。动力载荷包括：风载荷、地震载荷等载荷。此外还有其他形式的载荷，例如：温度应力、冲击反力等。其中风载荷和地震载荷起控制作用。因课题方向，故结构设计时主要考虑风载荷的影响。按目前常规方法设计的结构，强度校核结果偏于不安全，因此有必要运用有限元时程分析法，对此类塔设备进行强度评价。
本章结合焦炭塔容器工程实例，利用大型通用软件ANSYS焦炭塔的结构进行风加载时程反应分析，得到该塔器的风载荷动力响应规律。
5.1有限元模型的建立
5.1.1问题描述
焦炭塔的容器规格为?16000×35716mm，体积为5000m。塔体共分为四个部分：球形封头，上、下筒体和锥形封头；两个区域：泡沫段和生焦段。泡沫段筒体壁厚为28mm，充焦段筒体壁厚为32mm，下简体与锥形封头的过渡半径为3000mm，壁厚为28mm。整个塔体由裙座支撑。筒体由多个筒节焊接而成，锥体由一个筒节卷焊而成。塔体主体材质为20g，裙座圈板20g，焊缝材料J427，塔体的弹性模量为1.824859E11Pa，密度为7.85E11Pa，泊松比为O.3；焦炭的弹性模量为4.20E8Pa，密度为0.8E3kg/m3，泊松比为0.3。 5.1.2分析问题
由于塔壁厚度远远小于塔的内径，可将问题适当简化。在建立有限元模型时，塔体采用四节点的SHELL63单元，焦炭采用SOLID45单元，这样模型在满足精度的要求下将得到简化。在建模时，先建立塔的关键点，连接关键点得到塔壁线，再通过旋转生成塔的几何模型，然后指定线的划分份数，将塔的几何模型转化为有限元模型；生成焦炭的模型是通过先生成面单元，然后将面单元延伸成体单元。 5.1.3有限元模型的建立 （1）建立塔体的几何模型
在建立塔的几何模型前，首先应根据表5.1初始化设计参量，在初始化参数的时候不能够连同单位一起输入，因为ANSYS没有单位的限制，在本文中均采用国际单位制。其次
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还要定义单元类型和材料属性，定义两个单元类型，定义一号单元类型为Elastic 4node 63，定义二号单元类型为SOLID45，同样定义材料属性时也要根据需要定义两个，因为塔体和焦炭的材料属性是不同的，需要定义的材料属性有弹性模量EX，泊松比PRXY，密度DENS。定义完单元类型和材料属性后还要定义实常数，根据简体的厚度定义实常数为O.032。
表5.1参数表
参数 ta_R=8m outlet_R=2m outlet_h=8.1m low_h=13.4m OMEGA=1.5
参数意义 塔半径 出口半径 出口高度 下筒体高度 风激励角速度 参数 up_h=11.3m qun_h=3.682m low_t=0.032m up_t=0.028m 参数意义 上筒体高度 裙座高度 下筒体厚度 上筒体厚度
图5.1塔体几何模型
在创建塔体的几何模型时，采用的是自底向上的建模方法，先建立塔壁的关键点，然后根据关键点创建线，将线绕中心轴旋转得到塔体的几何模型。 (2)塔的有限元模型
为划分塔的几何模型，使之成为能用于计算的有限元模型，先选定各条线，然后设定各线的划分份数，采用SHELL63单元映射网格的划分方式，2D采用Quad．3D采用 HEX对塔体进行有限元划分后的模型为：
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图5.2塔体的有限元模型
(3)对塔体施加约束
在建立塔体的有限元模型后，要对塔体施加约束，此处选择按节点对塔体施加约束，首先应该选择要施加约束的节点，因为是在裙座处施加约束，故Y坐标是相同的，可采用按照Y坐标选择节点。施加约束后的有限元模型如图5.3所示： 5.1.4加载和求解
因为在建模部分已经生产了宏文件，这里直接利用命令流进行加载和求解。
5.2模态计算结果与分析
在加载前首先应该设置分析类型为模态的分析，因为用模态分析可以确定一个结构的固有频率和振型，固有频率和振型是承受动态载荷结构设计中的重要参数。对于进行瞬态动力学分析，固有频率和振型也是必要的。
图5.3施加约束后的有限元模型
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图5.4第1阶变形图
图5.5第2阶变形图
图5.6第3阶变形图
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图5.7第5阶变形图
图5.4至图5.7为塔体的前3阶和第5阶振型图
表5.2 塔振动前的前3阶和第5阶固有频率
塔的固有频率/Hz 1阶 0.45613 2阶 2.7228 3阶 7.2463 5阶 20.369 模态分析：根据表5.2，塔器结构的一阶振型是下筒体中段至上筒体6根几乎等角度条纹向外扩展振动，一阶模态对应的周期为T1?2.16s；塔器结构的二阶振型是下筒体中段至上筒体5根几乎等角度条纹向外扩展振动，二阶模态对应的周期为T2=0.36s；塔器结构的3阶振型是下筒体中段至上筒体7根几乎等角度条纹向外扩展振动，三阶模态对应的周期为T3?0.14s；塔器结构的5阶振型是下筒体中段至上筒体4根几乎等角度条纹向外扩展振动，五阶模态对应的周期为T5?0.05s。
5.3焦炭塔风载荷动力响应分析
风以一定的速度绕过设备，给设备施加水平作用力，使设备受弯矩，同时由于风速变化，会引起设备振动；在一定条件下还会产生风的诱导振动。进行风载荷分析时，需要根据各种载荷组合确定最危险状况。由于焦炭塔为柱状直立设各，故可以看作静止的无限长圆柱体，风载荷的模型可以使用无限长圆柱体的风载荷模型，且按JB4732不考虑风载荷和其它载荷的耦合作用，本文进行的风载荷分析采用下面的公式：
q?(?0.1033?(Y?2.802)2?6.3136(Y?2.802)?269.5626)abs(sin(w?TIME))) （5.1） 其中Y代表高度，单位式m，w代表激励角速度，q代表风载荷，单位为Pa。
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