（动力工程及工程热物理专业论文）高塔设备阻尼减振机理与设计研究.pdf

摘要 在石油、化工等生产过程中，常常需要将混合物质( 气态或液态) 分离成为较纯的 物质，通常采用精馏、吸收、萃取等方法。这些生产过程称为物质分离过程或物质传递 过程，它们大多是在塔设备内进行。塔类设备的型式种类繁多，用途广泛，是完成炼油 加工过程或其他化工过程的主要场所。塔类设备在风力作用下，当振动频率接近于塔的 自振频率时，塔就会发生共振，可能导致设备的破坏。为减少塔设备的振动，将建筑方 面的阻尼减振方法使用到塔设备上面，是本文研究的一个主要内容。 本文综合介绍了工程上最常用的有限元分析模型，选用某石化企业焦炭塔作为范 例，以模拟加载阻尼减振装置的方法，对模型进行仅改变其阻尼大小的情况下，利用大 型三维建模软件p r o e n g i n e e r 建立包括预热油入口、加热油气入口、水力除焦器入口 及油气出口的焦炭塔整体有限元模型，运用有限元分析软件a n s y s 对该焦炭塔在不同阻 尼，不同工况下进行有限元分析。并使用频谱分析仪p l 3 0 2 对焦炭塔进行振动取样分析， 以验证有限元分析模型的可靠性。 通过有限元分析计算，得到焦炭塔内大量的应力及响应信息，包括各区域的焦炭合 位移云图及焦炭等效应力云图等。通过对设计工况下的整塔应力及响应分析，定载荷不 同阻尼情况下整塔各区域的应力及响应分析表明：整个塔体内部的应力及响应分析结果 与理论分析基本上是一致的，并找到在不同阻尼情况下，整个塔体内部的应力及响应呈 现的一定变化规律，为工程上将阻尼减振方法应用到塔设备的减振设计中来，提供了有 用数据。并通过使用频谱分析仪p l 3 0 2 对焦炭塔本身进行振动取样分析，对在特定风载 荷的情况下，得到焦炭塔对风载荷的响应频谱，并将所得到的响应频谱与有限元分析得 到的响应图谱相比对，最终验证计算结果的可靠性。 本文采用有限元分析与现场测试实验相结合的方法，通过现场测试对有限元分析的 结果进行验证，更能体现出数据的可靠性。这些研究工作，对将阻尼减振技术使用到塔 式设备中来具有有益的参考价值。 关键词：焦炭塔，阻尼，有限元分析，频谱测试，应力及响应 v i b r a t i o nd a m p i n gm e c h a n i s ma n dd e s i g no ft h eh i g h t o w e r e q u i p m e n t w a n gn i n g ( p o w e re n g i n e e r i n ga n de n g i n e e r i n gt h e r m a lp h y s i c a l ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rh a od i a n a b s t r a c t i n p e t r o l e u m ，c h e m i c a lm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，o f t e nn e e d w i l lb em i x e dm a t e r i a l ( g a s e o u so rl i q u i d ) s e p a r a t e di n t oap u r es u b s t a n c e ，u s u a l l yb yd i s t i l l a t i o n ，a b s o r p t i o n , e x t r a c t i o nm e t h o d s t h e s ep r o d u c t i o np r o c e s sc a l l e dm a t e r i a ls e p a r a t i o np r o c e s so rm a t e r i a l t r a n s f e rp r o c e s s ，t h e ya r em o s t l yh a p p e n n i n gi nt o w e re q u i p m e n t t o w e ro fs u c he q u i p m e n t a l w a y sh a sv a r i e t yt y p e s ，aw i d er a n g eo fu s e s ，i sc o m p l e t er e f i n i n gp r o c e s so ro t h e rm a i n p l a c eo fc h e m i c a lp r o c e s s i nw i n dl o a d s ，w h e nt h ev i b r a t i o nf r e q u e n c yd o s e t ot h et o w e ro f v i b r a t i o nf r e q u e n c y , t h et o w e rr e s o n a n c ew i l lo c c u r , m a yc a u s ee q u i p m e n td a m a g e i no r d e r t or e d u c et h ev i b r a t i o n ，t h et o w e re q u i p m e n tw i l lb ei nt h ef i e l do fa r c h i t e c t u r ed a m p i n g v i b r a t i o nr e d u c t i o nm e t h o du s e dt ot o w e re q u i p m e n t , p a p e ro no n eo ft h em a i nc o n t e n t s t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ee n g i n e e r i n go nt h em o s tc o m m o n l yu s e df i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sm o d e l ，c h o o s eap e t r o c h e m i c a lc o k et o w e ra sa ne x a m p l e ，t ol o a ds i m u l a t i o n d a m p i n gv i b r a t i o nr e d u c t i o nd e v i c em e t h o d , t h em o d e lo n l yc h a n g ei t sd a m p i n gs i z e c o n d i t i o n s ，t h el a r g e3 dm o d e l i n gs o f t w a r ep r o ee s t a b l i s hi n c l u d i n gp r e h e a t i n go i le n t r a n c e ， h e a t i n go i la n dg a se n t r a n c e ，h y d r a u l i co i la n dg a se n t r ya n de x i ta r o u n dt h ew h o l ec o k et o w e r , t h ef i n i t ed e m e n tm o d e lb yu s i n gt h ef i n i t ed e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y st h ec o k et o w e r i nd i f f e r e n td a m p i n g ，d i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n si nf i n i t ed e m e n ta n a l y s i s a n du s ea s p e c t r u ma n a l y z e rp l 3 0 2o fc o k et o w e ro fs a m p l ea n a l y s i si no r d e rt ov e n f yt h er e l i a b i l i t yo f t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e l t h r o u g ht h ef i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o na n da n a l y s i s ，g e ti n s i d eal o to fc o k et o w e rs t r e s s a n dr e s p o n s ei n f o r m a t i o n , i n c l u d i n gv a r i o u sa r e ac o k ec l o s ed i s p l a c e m e n tm a pa n dc o k e u e q u i v a l e n ts t r e s sc o n v e c t i v ee r e t h r o u g ht h ed e s i g nc o n d i t i o no fw h o l et o w e rs t r e s sa n d r e s p o n s ea n a l y s i s ，s e t t l el o a dd i f f e r e n td a m p i n gc a s ew h o l e t o w e rr e g i o n a ls t r e s sa n dr e s p o n s e a n a l y s i ss h o w st h a tt h ew h o l et o w e rb o d yi n t e r n a ls t r e s sa n dr e s p o n s ea n a l y s i sa n d t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a r eb a s i c a l l yt h es a n l e ，a n df i n di nd i f f e r e n ts i t u a t i o n s ，t h ew h o l ed a m p i n gt o w e r b o d yi n t e r n a ls t r e s sa n dr e s p o n s ep r e s e n t sc e r t a i nc h a n g er u l e ，a d m i r a ld a m p i n gv i b r a t i o n r e d u c t i o nf o re n g i n e e r i n ga p p l i e dt ot h et o w e re q u i p m e n td a m p i n gd e s i g n ，p r o v i d e su s e f u l d a t a a n dt h r o u g ht h eu s eo fas p e c t r u ma n a l y z e rp l 3 0 2o fc o k et o w e ri t s e l fs a m p l i n g a n a l y s i so fw i n dl o a d ，i nc e r t a i nc i r c u m s t a n c e s ，g e tt h ec o k et o w e ro fw i n dl o a ds p e c t r u m ，a n d t h er e s p o n s eo ft h er e s p o n s es p e c t r u ma n dg e tt h er e s p o n s es p e c t r u mf i n i t ed e m e n ta n a l y s i s g e tc o m p a r e dt o ，f i n a l l yv e r i f yt h er e l i a b i l i t yo ft h ec o m p u t a t i o n t h i sp a p e ru s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n df i e l dt e s te x p e r i m e n t a lm e t h o d c o m b i n i n g ，a n dt h r o u g ht h ef i e l dt e s t i n gt ov e r i f yt h er e s u l t so ff i n i t ed e m e n ta n a l y s i s ，t o r e f l e c tm o r et h er e l i a b i l i t yo fd a t a t h e s er e s e a r c hw o r k s ，r e d u c i n gv i b r a t i o nd a m p i n g t e c h n o l o g yt ou s et ot o w e re q u i p m e n tt oh a v eb e n e f i c i a lr e f e r e n c ev a l u e k e yw o r d s ：c o k et o w e r , d a m p i n g ，t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，s p e c t r u mt e s t i n g ，t h e s t r e s sa n dr e s p o n s es p e c t r u m 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 本文的研究背景及意义 第一章绪论 在化工、石油等生产的过程中，常常需要采用萃取、吸收、精馏等方法来将较纯的 物质从混合物质( 液态和气态) 中分离出来。这些生产过程称为物质传递过程或物质分 离过程，它们大多是在塔设备内进行。塔类设备的型式种类繁多，用途广泛，是完成炼 油加工过程或其他化工过程的主要场所。塔类设备一般都具有庞大的外形，设备直径最 大可达十多米，高度达数十米，设备的重量可能会有数百吨，一般安装放置在露天。 露天安置的塔类设备在风里作用下，将产生两个方向的振动。一种是由于不稳定的 风力直接作用在塔体上，而产生的与风向相同的顺风向振动；另一种是由于风里绕过塔 的两侧时形成周期性出现和逸散的漩涡而产生的与风力方向垂直的横风向振动。前一种 振动与风速的大小及其变化有关，称为风的载荷振动，是常规设计的主要内容；后一种 振动是根据流体力学理论计算的风的诱导振动。 塔类设备在风力作用下，当振动频率接近于塔的自振频率时，塔就会发生共振，可 能导致设备的破坏。因此，塔设备受风力作用而产生的诱导振动以及如何减小因振动而 产生的危害，提高塔设备的抗振能力都是需要在设计时予以考虑的问题。在历史上，由 于忽略风对构件的误导振动而发生许多意外事故。最经典的事例是美国塔珂玛大桥因风 诱发的振动产生共振后而被摧毁；在委内瑞拉也曾有一个大的储罐因共振而被损伤，至 于工业上的烟囱、管道以及换热的管束因此而受到破坏或产生噪音的事例也时有所见。 在全国各地区的石油炼化单位中，大型塔设备的振动事故时有发生，有些塔设备项部振 幅最高达到过1 4 米! 由于各个塔所受的风力不同，有的风力仅为三、四级，有的则高 达八级，且各塔的固有频率存在差异，从而导致振动持续且变化复杂。剧烈的持续振动 不但无法维持正常的生产活动，而且使塔体产生应力过大的情况，形成由于疲劳而产生 的裂纹，甚至会导致设备损坏，生产的事故发生，操作工人的伤亡【l 】。 在我国大部分的工程设计中，都采用用增加塔的壁厚和塔体直径的方法来满足防振 需要，这直接导致了制造用材的增加，导致制造成本增加，经济性下降。同时，也造成 的资源的巨大浪费。 然而在建筑方面，随着科技水平的不断进步，新的连接方法和新型的材料被更为广 泛的使用。塔式建筑和桥梁等工程结构变的越来越轻柔，并且阻尼大大降低，因而对行 第一章绪论 车、地震及风等造成的振动反应极为敏感，故在土木工程结构中结构振动控制也在逐渐 的受到重视。对于高塔和桥梁等结构阻尼比较低的特点，阻尼减振技术在各种结构振动 的控制技术中，能达到几倍乃至几十倍地增加结构阻尼，从而控制振动的效果极好，且 稳定性好，因而在工程上得到了较为广泛的应用【2 1 。 故本课题的研究目的是利用建筑方面运用较为成熟的阻尼减振技术，将其运用到化 工设备中塔式结构中来，以达到既满足设备的防振需要，又能节约制造成本，节省资源 的效果。并为其设计思路进行严格的实验验证和有限元分析，为以后在化工设备方面的 阻尼防振的结构优化和设计提供理论支持。 1 2 国内外塔式结构阻尼减振设计研究现状 1 2 1 振动控制设计理论模型 高耸结构的振动控制原理因为高耸结构的类型不同，结构分析的方式不同或者是控 制方法的差异也有不同的内容。 由于具有随机性的外部作用，高耸结构振动以及其控制是一个复杂并且随机性很大 的过程，对于一个这样的过程，人们通常希望从两个不同的方面去进行研究：一方面， 人们希望使用频域分析以获得在外部作用下结构以及其控制系统所产生反应的概率特 点；而一方面，人们又希望能精切地掌握住在一定载荷作用下结构及其控制系统完整的 反应过程。这要进行确定性分析就只能采用时程分析法来处理【3 】。 高耸结构的振动控制方法主要分为主动控制和被动控制。这两种控制方式对结构作 用的原理不同，其理论上的差异也是显而易见的。 要使结构振动得到控制就是要在结构上进行控制装置的设置，在地震以及风载荷等 外界激励的作用下结构发生了动力反应的时候，控制装置将会被动或主动地产生一种控 制力从而达到抑制或是减小结构的动力反应的效果。结构的振动控制主要可以分为被动 控制以及主动控制。通过一些控制装置而改变结构的刚度、质量和阻尼的振动控制方法 称为被动控制，它不需要能量从外部输入。而当结构振动的时候，控制装置会施加控制 力给结构从而减小结构的动力反应。由驱动设备、传感器、计算机三个部分组成的减振 装置通常称为主动控制装置，驱动设备能通过计算机的指令制造合适的控制力，而传感 器则用来检测结构响应或外部激励，计算机则是依据选择的控制算法来计算所需要的控 制力和对信息的处理检测。最近几年来还提出了一种半主动控制，这种系统主要以被动 控制为主，并且能使用用一部分能量切换被动控制系统的工作状态，从而使装置始终处 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 于最优化状态【4 】。 就结构被动控制一些设计方法而言，日本的下乡太郎总结了等效最优控制特性法， 最小范数法和最小误差激励法，这些都是根据最优控制方法和最优控制理论而得到的， 也让在结构被动控制设计中最优控制理论的使用具备了理论基础。最近几十年来有十余 种结构主动控制算法被提出【5 1 ，分别为：极点配置控制，经典线性最优控制，界限状态 控制，模糊控制，自适应控制，预测控制，随机最优控制，非线性瞬时最优控制以及线 性瞬时最优控制等。这些结构主动控制的理论研究主要以各类控制算法做为主线。在结 构振动的智能设计中，一般使用控制振型的方法，又由于高耸结构的动力反应一般以第 一振型为主，故主要是对第一振型振动进行控制【6 】。 振动控制装置是目前应用于高耸结构振动控制的核心设备，由于其使用的振动控制 装置不一样，故振动控制效果和设计分析方法也有差异。国内外许多专家已进行了不少 的实验和理论研究，也提出很多不错的措施和方法。比较典型的主动控制有：主动挡风 板( a c t i v ea e r o d y n a m i ca p p e n d a y e s ) ，主动拉索( a c t i v et e n d o n ) ，主动调频质量阻 尼器( a c t i v et u n e dm a s sd a m p e r ，简称a m d ) 等；比较有代表性的被动控制装置有： 调频液体阻尼器( t u n e dl i q u i dd a m p e r ，简称t l d ) 、被动拉索，耗能器( d i s s i p a t o r s ) 、 被动调频质量阻尼器( p a s s i v et u n e dm a s sd a m p e r ，简称p t m d 或t m d ) 等 7 】。 现广泛应用于土木工程的各种阻尼减振技术按原理与方式可大致归纳如下： 阻尼减振技术 质量型胁协调式馄黧我戮：焉。等 l 碰撞耗能式，如d 、p d 等 附加阻尼型 利用材料的塑性变形耗能，如铅芯阻尼器( l d ) 利用摩擦耗能 利用油阻尼或粘性阻尼耗能，如油阻尼器( o d ) 、 v s d 等 ( 1 ) 谐质量阻尼器( t m d ) j r d e n h a r t o g 在1 9 2 8 年对无阻尼质量调谐阻尼器( t m d ) 进行了研究，结论如下： 当t m d 的激振频率等于固有频率，即动力调谐条件能被t m d 结构参数所满足时，能 使主结构与t m d 的激振力和作用力方向相反，大小相等，彼此达到平衡，就可以使主 结构振动消失从而达到完全抑制了主结构振动的目的。而如果激振频率和t m d 的固有 频率相差较大，t m d 的减振效果就会急剧降低，故而，无阻尼的t m d 只能在激振频率 比较稳定的条件下使用【8 】。要使无阻尼的t m d 克服适用频率条件极小的缺点， 第一章绪论 g b w a r b u r t o n 又对有阻尼的t m d 做了理论方面的分析，分析结果表明只要将适当的阻 尼在t m d 内加入即可扩展整个减振频带。单一的t m d ( 即s t m d ) 的减振原理( 图 1 1 ) 为：将一个质量较小的动力减振系统( m ，k ，c ) 添加到主振动系统上，然后通 过调谐将振动能量最有效地转移到其附加的减振系统t m d 上，并使其阻尼进行耗散， 以达到降低主振动系统振动的目的。为了使t m d 的消振效果进一步提高，增大减振频 带，h i r o l d y a m a g u c h i 等人提出了采用多重调谐阻尼器( m t m d ) 来控制结构振动。m t m d 可以使受控结构在不同频率位置的振动由其他频率的t m d 控制，从而使在各t m d 中 各t m d 频率之间的振动受到适当阻尼的控制【9 】。 图1 - 1t m d 结构系统 f i g 1 - 1t m d - s y s t e ms t r u c t u r e ( 2 ) 调谐液体阻尼器( t l d ) 使用液体的晃动来耗散并吸收振动能量，以达到减小受控结构水平方向振动幅度的 调谐式液体阻尼器，称为t l d ( t u n e dl i q u i dd a m p e r ) ，见图1 2 ，它的减振原理是：用 r 。 图l - 2 t l d 结构系统 f i g 1 - 2t l d - s y s t e ms t r u c t u r e 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 调整容器的尺寸和容器内部液体深度的方法，来使液体晃动的频率和结构自振的频率相 同，来达到最大限度的耗散结构振动的能量的目的。 采用液体晃动时水表面波纹的破碎以及和容器壁碰撞的方法来吸收振动能量的结 构，称为浅液型t l d ，而通过增加加阻塞器以吸收振动能量的结构，称为深液型t l d 。 又因为t l d 主要采用液体晃动以耗散和吸收振动能量，故又被称为t s d ( t u n e ds l o s h i n g d a m p e r ) 。 ( 3 ) 调谐液柱阻尼器( t l c d ) 采用在管状容器内流体的运动以耗散和吸收能量的动力减振装置，称为t l c d ( t u n e dl i q u i dc o l u m nd a m p e r s ) ，见图1 3 。t l c d 为使其消振效果最为明显，采用的 减振机理为通过调节液柱的总高度l ，使受控结构的自振频率和其自振频率相同，以达 到最大可能地吸收装置的振动能量的目的，同时调节阻尼孔的开孔率，可使t l c d 吸收 的能量达到最大【1 们。 图1 - 3t l c d 结构系统 f i g 1 - 3t l c d - s y s t e ms t r u c t u r e ( 4 ) 冲击式阻尼器( i d 与p d ) 利用受控结构的减振器和运动部件间的非弹性碰撞以便吸收结构振动内能量来使 受控结构的振动得到控制的动力减振器，称为i d ( i m p a c td a m p e r ) 。为使它的减振效果 实现最优，它采用了调整垫层的弹性与阻尼特性和冲击间隙的方法。而采用受控结构和 悬挂摆间的碰撞以吸收振动能量的动力减振器，称为p i d ( p e n d u l o u si m p a c td a m p e r ) 。 它可以通过调节阻尼、垫层刚度以及冲击间隙等参数以便吸收能量最大，来使减振达到 最优效果。而且还可以通过调节摆的振动频率到与结构振动一致，从而消耗更多的振动 能量。 第一章绪论 1 2 2 目前化工用塔式设备减振方法 当风速达到塔的临界风速v c i 或v c 2 时，塔体会发生共振。实际上在塔体振动时， 塔体表面与空气的摩擦，塔体弯曲时的能量消耗，设备结构材料在振动时的微小变形， 梯子平台的扰流作用，特别是塔盘上；液体的阻尼作用，使塔的振动受到约束，故塔的 振动是属于有阻尼的强迫振动。塔共振时，共振幅也由于阻尼作用不可能无限增加，但 设计时仍应力求避免发生共振。当计算得出塔的振动周期与塔的自振周期相近时，即当 0 8 5 t c l t 1 3 t o l 时，应采取相应的防振措施。 目前使用的防振措施有以下几种： ( 1 ) 增加塔的壁厚，这样使塔的惯性矩增加，以改变塔的自振周期，使塔的临界 风速提高。 ( 2 ) 采用各种方法增加塔的阻尼比，例如，合理布置管道、平台、扶梯，以及塔 内物料和内部构件，外部增设扰流构件等。 ( 3 ) 增加塔体直径，以提高临界风速。 采用上述几种防振措施，虽然可以满足塔式设备防振需要，但都要采用增加自身刚 度的方法，而增加结构自身刚度的方法并不是非常经济合理的，这将使工程造价大大增 加，同时也造成了对资源的极大浪费。 在近些年来a n s y s 越来越多的参与到建筑振动方面的分析应用上，在高耸建筑， 水利工程，以及一些压力容器的设计中经常使用到。在化工设备的设计中更是发挥着重 要的作用。 1 3 本文研究的主要内容及方法 由于焦炭塔的塔体所受风载荷变化非常复杂，故用纯理论方法来对其应力和响应进 行分析。而常规的实验方法经常受到实验装置大小，实验场地，以及实验经费等条件的 影响，实验成本很高，故经常无法进行具体实施。这些年来，由于有限元分析方法的迅 速发展和计算机运算能力的大大提高随着计算机技术的提高以及有限单元法和数值计 算方法的蓬勃发展，使数值模拟方法称为对塔设备振动特性研究的重要手段。并基于本 实验室双通道振动数据采集仪p l 3 0 2 的强大振动数据采集功能，可对有限元模拟的结果 进行对比分析，提高模拟数据的可靠性。故，在本文中使用了p r o e 三维造型软件对焦 炭塔塔体部分进行模型建立、再用a n s y s 软件进行在相同风振载荷和不同阻尼下，对 所建模型进行应力与响应的有限元分析，并使用p l 3 0 2 对建模的实体模型进行振动响应 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 测试，并将测试数据与模拟分析结果进行比较，从而分析数值模拟方法与实验方法相比 的误差率。其中主要内容如下： ( 1 ) 能熟练使用a n s y s 软件。并对工程上经常使用的高耸设备的风载荷模型进行 分析比对，弄清楚具体高耸设备在风载荷作用时的模型设置参数条件及载荷加载范围， 为后面的数值模拟过程做好准备。 ( 2 ) 使用p r o e 软件，参考所选焦炭塔的塔体参数，建立焦炭塔在特定风载荷下的 简化模型，包括预热油入口、加热油气入口、水力除焦器入口及油气出口等。并将所建 好的p r o e 导入到a n s y s 软件中，进行网格划分； ( 3 ) 选择与之相匹配的参数来模拟塔设备风振，并对其应力及响应进行有限元分 析，包括风载荷加载方程、合适的风载荷模型、边界条件( 进口、出口和壁面边界条件) 等； ( 4 ) 在不同阻尼条件下，使用a n s y s 软件来对焦炭塔塔体应力及响应的分布情况 进行分析，以获得塔体在受相同风载荷作用时，不同阻尼下的响应和应力情况，并根据 分析模拟的结果描绘出焦炭塔的振动特性曲线。 ( 5 ) 使用振动测试仪器p l 3 0 2 对所选的焦炭塔实体进行实验测试，并与模拟结果 进行对比，从而验证焦炭塔在相同风载荷作用下，不同阻尼下应力和响应的特性数值模 拟的可靠性。 第二章塔设备风振分析的理论基础 第二章塔设备风振分析的理论基础 当采用a n s y s 软件对塔体内部应力和响应进行数值分析的时候，要先建立起一系 列的有限单元模型，包括单元格划分，边界条件设定，模态分析，风载荷动力响应分析 等。模型的组合形式不同可能会对最后的结果铲形影响。本章即重点介绍相关的风振分 析方法和有限元分析知识，通过这些模型的比对分析，确定合理的处理方法。 2 1 有限单元法基本理论 2 0 世纪中期由c l o u g h 首次提出了“有限单元法( 又称为有限元法) 的概念，随着这 些年来的进步和发展，如今它已经成为了工程分析中运用最为丰富的一种数值计算处理 方法。随着科学和计算机技术的快速发展，现在在计算机辅助工程( c a e ) 中有限单元 法已经变成了核心技术的基础，它的通用性和有效性，获得了工程技术领域的高度关注。 有限单元法的大致思路是将连续在一起的求解区域分离为一系列有限个并且通过 一定的联接方式使它们相互在一起的单元的组合体。可因为单元自身的形状可以有差 异，并且单元的联结方式又可能存在不同，故可以对几何形状较为复杂的求解区域进行 模型化。有限元能作为数值分析方法的另外一个原因是，在整个求解域中，所要求的 所有未知场函数都可以被分片的用假设的近似函数来表示。一般来说，单元内部的近似 函数可以用未知场的函数来表示，还可以由它的导数在单元内各个结点数值与其插值函 数来表示n 羽。因此，在单未知量的有限元分析中，新的自由度( 也就是未知量) 是由未 知场的函数及它的导数在不同结点上的数值形成的，这样就将一个具有连续性的有限元 问题转化成了离散性的有限元问题。而计算出未知量以后，采用插值函数的方法，就可 以算出每个单元内部场函数的值，最终得到全求解域的近似解n 3 1 。随着单元的自由度增 加以及插值函数的精度提高，或者，随着单元的数目增加，也即单元的尺寸缩小，最终 解的近似程度将会不断的提高。如果要使近似解最终收敛于精确解，则要求单元是要满 足收敛条件的n 钔。 通过上面可以知道，在基于力学分析的方法中，有限单元法是离散模型分析的一种 数值解法。一般的解析求解法与它并不完全相同。传统的解析法是为了得到描述连续体 特点的微分方程故它的研究对象是那些连续体内部无限小的微分体。而后通过边界条 件、初始条件得到一个通解1 5 1 。连续体上任意一点上所有要求的参数值这个解都可以给 出。但是，由于大部分工程问题中，物体的几何形状并不规则，且材料具有不均匀等特 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 点，还有各种条件的不完整等原因，其应用范围就变的非常有限。然而有限单元法可以 获得节点处所需未知量的近似值，因此是一种能将各类复杂问题，转化为一种典型模式 的方法u 引。 对有限单元法的推导时，也可以采用选用节点力作为未知量的方法，并不一定非要 选取节点位移为基本未知量。根据未知量的选取方法不同，有限单元法也可以被分为混 合法、位移法、力法。使用经典力学的方法就可以解决位移分量是位移法的基本未知量 的问题，这是由于其在基本未知量的应力分量在数量上比力法要少。位移法由于得出的 计算程序和方程组都比较简单，故在工程上得到了广泛应用n 刀。 因此，有限元分析法具有应用范围广，适应性强等主要特点。可以迅速的处理各种 应力分析中出现的复杂问题，例如，非线性的应力应变关系，复杂边界，各向异性材料 等。还随着理论基础的逐渐完整，有限元分析方法的不断进步，现在已经能能够电磁场 领域、热传导以及流体力学的很多问题n 酊。几乎现在所有的连续场和介质的求解问题它 都能够适用。由于它的概念简单易懂，很容易掌握，使在不同水平上的人都可以得到对 该法的处理思想。学习者可以采用严谨的数学解释来理解该法的理论，也可以采用非常 直接的手段来运用和学习这一方法。它还具有很强通用性。在许多功能领域内，只要调 整输入数据，就能解决不同的实际问题。为了方便编制计算机程序，也为了能充分利用 高速电子计算机所提供的方便，该法采用矩阵的表达形式。使其可以在计算机上使用编 制好的程序来使整个计算过程自动进行。解析法中解决一种实际问题必须寻找一种解法 的局限性被这种解法彻底改变了。 2 2a n s y s 软件简介 2 2 1 a n s y s 有限元分析的基本方法和步骤 在a n s y s 有限元分析软件中，对一个问题进行建模并对该问题进行分析与求解主 要采用以下几个步骤 1 9 】： ( 1 ) 最重要几种类型数据的定义 这步中主要对以下三部分数据进行定义： 元素类型 元素类型主要包括六面体、三维的四面体、二维的板及壳、一维的梁及柱等元 素以及零维的质点及空隙等元素。该类型的定义是为了告诉计算机，要用什么样的元素 模型来对问题进行分析。 q 第二章塔设备风振分析的理论基础 实体常数2 0 】 对实体常数进行定义并用有限单元法对截面的情况进行分析； 材料性质 对那些具有类型差异和性质差异的材料，须要定义的参数有泊松比u 和弹性模 量e ) 【及e y 等。而对于那些各向同性材料，就需要定义弹性剪切模量为g = e 2 ( 1 + | 1 ) ， 程序内置的泊松比为0 3 和物体的杨氏模量e 。如表4 1 所示，材料主要有三种单位制。 在解决加速度方面问题时，建议采用国际单位制单位2 1 1 。 ( 2 ) 几何图形的绘制 可以用软件提供的绘制功能绘出几何图形，也可以使用c a d 系统，例如从p a r a 参数实体文件、u g 文件、p r o e 文件、i g e s 文件、s a t 文件导入。要能够对一个结构 体进行分析，先要对其的外形进行清楚且正确定义才行； 表2 - 1a n s y s 中材料的单位制 t a b l e 2 1m a t e r i a l st n e so fa n s y s 单位制时间力 长度质量 国际单位制秒( s )千克力( k g f )米( m )千克( k g ) 米千克力秒制秒( s )千克力( k g f )米( m )千克( k g ) 英美制秒( s )磅( 1 b )英尺( f t )磅( 1 b ) ( 3 ) 分格 分格就是对进行过参数定义的模型，进行网格划分，以便进行后面的a n s y s 分析 计算，这部分是a n s y s 软件中非常重要的一步。网格划分的好坏程度，直接影响着后 面有限元分析结果的准确性。但有时受计算时间的限制，也并不是网格划分的越细越好， 要根据具体的问题进行具体分析，能够满足分析要求就好； ( 4 ) j j f l 载的载荷和周围的约束 这个步骤主要对以下两部分数据进行定义： 周围的约束 约束是将一个装置或者结构进行固定的部分。在对一个问题进行有限元分析之前， 要对他的周围约束和边界条件进行有效的定义。要不会可能造成有限元分析结果不收敛 的现象，因此必须引起足够的重视。 加载的载荷 l o 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 加载的载荷是指在分析物体的周围所加的可能造成物体内部或外部性能改变的部 分。可包含分布力、集中力、预应力及重力等。 ( 5 ) 有限元分析 这部分就是对前面进行定义过的物体，又在施加特定的约束条件和载荷作用情况 下，对其产生的内部应力、应变、位移、速度等物理参数的影响进行有限单元法分析。 分析之前的工作都称为预处理，之后的工作都称为后处理。 ( 6 ) 分析结果的现实 a n s y s 软件本身自带有强大的后处理程序，可以对分析的结果进行图表、频谱等 一系列形式的输出显示【2 2 1 。 a n s y s 软件系统运用分类模块的方式对各个分析过程分进行操作，程序的结构由各 个模块组成，经过这些模块的几次分步操作可以实现对一个实际问题的分析。后处理有 限元分析、前处理和加载并求解是a n s y s 的分析过程主要包含的三个步骤，其基本流程 如图2 1 所示。另外a n s y s 的人机对话方式还有两种： 图2 - 1 u s y s 有限元分析基本流程 f i g 2 - 1a n s y s f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sb a s i cp r o c e s s e s 交互式方式运行 通过菜单和对话框来运行a n s y s 程序称为交互式运行方式。这种方式操作简单，对 于初学者来说非常容易上手，而且所有的功能也都可以简洁明了的实现。缺点就是不容 第二章塔设备风振分析的理论基础 易对错误进行修改，只能通过多次保存的方式来避免错误。一旦对完成的模型进行修改， 就要重新进行操作，过程会比较繁琐。 命令方式运行 命令的方式是用a p d l 语言来实现对a n s y s 程序的操作，它的优点在于修改快捷方 便，而且操作效率高。但比较难以掌握，需要操作人员不断的熟悉各种命令。 2 2 2a n s y s 软件可提供的分析类型 a n s y s 的主要产品家族很多，具体如图2 2 所示。为了满足工程模拟中结构复杂、 材料种类繁多的情况，a n s y s 建立了一个庞大的数据库，对大部分常用的单元类型进 行了收录。而且该软件提供了多种版本，可以在多种不同计算设备上运行，如p c 、h p 、 s g i 、d e c 、c r a y 、i b m 、s u n 等。具体分析类型有以下几种： 图2 - 2a n s y s 的产品家族分布图 f i g 2 - 2t h ea n s y sf a m i l yo fp r o d u c t sd i s t r i b u t i o n ( 1 ) 对结构的静力分析2 3 】 这种分析方法可以对那些受结构阻尼和惯性作用不明显的问题进行解决。例如求解 应力、位移、速度以及应变等内容。 ( 2 ) 对结构的动力学分析【2 4 】 结构动力学分析的方法能够解那些载荷随时间变化对部件或结构影响方面的问题。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 动力学分析主要对变化的载荷和受惯性和阻尼影响的载荷进行分析。 ( 3 ) 电磁场分析【2 5 1 对电磁场中的问题分析主要采用该分析方法，例如能量和电路损失、电感、磁力线 分布等。还能够用于无损检测装置、磁体及加速器等的设计和分析领域。 ( 4 ) 对流体的动力学分析 a n s y s 软件的流体单元还可以对处于任何状态的流体进行分析。分析结果可以使 用后处理功能显示出压力分布、温度和流率的图形，也可以得到每个节点位置的压力和 通过每个单元体的流率。此外，还可以利用流一热管单元和三维表面的效应单元来模拟 结构的对流换热效应和流体绕流情况。 ( 5 ) 声场分析【2 睨7 】 对浸在流体内的固体结构的一些动态特性和对在流体的介质中传播的声波的研究 都可以用该程序的声学功能来进行分析。这些功能可用来预测振动船体受水的阻尼效 应，确定话筒的响应频率或分析音乐大厅的声场分布强度等。 ( 6 ) 压电分析 这个分析类型可对麦克风、谐振器、换热器、振荡器等部件以及其它的电子设备结 构动态性能进行分析。可进行的四种分析类型为：瞬态响应分析、谐波响应分析、模态 分析、静态分析。故该分析类型可对随时间变化的机械载荷或电流的响应或者对三维或 二维结构以及d c ( 直流) 、a c ( 交流) 进行分析 4 4 - 4 8 】。 2 3 高耸结构振动控制概述 2 3 1 高耸结构振动控制简介 高耸结构是一种用途量大面广非常重要的一种特殊结构，已在环保、广播电视、测 绘、电力、导航、邮电、旅游、石油、市政建设、化工、气象、冶金、交通、通讯等领 域广泛使用。 高耸结构的主要载荷是风载荷，有时在地震区时地震作用载荷也会起主要作用。细 长的高耸结构在受到这两种随机作用力和载荷的作用时，会使产生高频振动和大幅变形 【2 8 】 o 为了达到结构的刚度、稳定和强度要求，又因为在设计时就需要考虑当地最强地震 和风载荷作用，故必须得加大结构的横截面积，增加建筑材料。尤其是一些带塔楼的嘹 望塔，由于其观光旅游类建筑的特殊性，故其抗震防振要求更高风较大时，结构如 第二章塔设备风振分析的理论基础 果发生过量变形和剧烈摇晃，就会使登塔楼游览的人们产生不适感。为满足舒适度和结 构刚度的要求，这类高柔结构如果只通过增强自身结构来抵御地震或风振，就会使工程 造价上升【2 9 】。 高耸结构控制的目的，就是加装一些控制装置，在不特别增强结构基础上，当强风 或地震作用时，控制装置主动地或被动施加一组控制力，减小结构的变形，减缓结构的 振动。由于在相同动力载荷的作用下，要控制高耸结构的变形和振动，结构振动控制设 计的控制装置费用与增加建筑材料费用相比要小很多。故采用结构振动的控制设计方法 是一种十分经济合理的措施【3 0 】。 高耸结构的振动控制是在最近几年才逐渐发展起来的一种新兴学科，国外已经有了 不少的研究，也有不少工程实例，目前国内也正在开展这一方面的研究，也发表了一些 振动控制方面的论文。要改变传统的加强材料结构来抵御地震或风振的思路是如何使用 结构振动控制理论的核心问题，要让结构振动控制使高耸结构设计等上一个新的台阶， 就要抑制结构动力反应，并通过使用某种控制装置来施加控制力【3 1 1 。 一种高度和横向尺寸之比较大的建筑物被称为高耸结构( h i g h r i s es t r u c t u r e ) ，起主 导作用的是其所受的横向载荷。由于宽高比较小，结构的