塔架屈曲稳定性分析

1,塔架屈曲稳定性分析,实例讲解,2,纵向正应力屈曲计算分析,切应力屈曲计算分析,径向正力屈曲计算分析,3,坐标系说明,本讲义中载荷均采用GL规范中定义的塔顶坐标系，其中x方向为风力方向，z为垂直向上。该坐标系一般为载荷计算报告中塔架载荷的默认坐标系，如有不同，需进行坐标系转换。一般来说，门框开口方向应垂直于主风向，这是为了充分保证塔架的强度安全。,4,屈曲稳定性计算分析,塔架一般由23个法兰段连接而成，每个法兰段又由多个焊接段组成。一个法兰就意味着一个径向位移约束。计算屈曲稳定性时，同样要考虑几个主载荷，弯矩Mxy、压力Fz、剪力Fxy、扭矩Mz。计算方法与塔架焊缝极限强度计算方法一致，区别是破坏准则变为屈曲失稳破坏，许用应力变为许用屈曲应力。,5,屈曲稳定性计算分析应力计算,表中单位：mm截面相关参数的计算，可以参考DIN18800-4。,6,屈曲稳定性计算分析应力计算,压力与弯矩应力计算,扭转与剪力应力计算,可见，由于塔架的锥角影响，正应力计算需要一定的改进。当然，由于塔架锥角Q很小，可以适当的忽略。,7,屈曲稳定性计算分析应力计算,表中数据为极限载荷，单位：kNm，kN相关载荷数据应由厂家提供.若数据量不够,可以简单内插进行估算。此外,可以均采用极限工况载荷分量进行计算。,8,屈曲稳定性计算分析应力计算,表中单位：待定GL规范要求材料安全系数_m为1.1，所以_Ext应大于1.1。,9,屈曲稳定性计算分析许用应力计算,塔架选用材料一般为Q345或Q235,材料的力学参数可在相关GB中查找.,10,屈曲稳定性计算分析许用应力计算,屈曲许用应力的计算思路为：1、根据理想几何形貌计算理想屈曲应力。2、根据实际缺陷修正理想屈曲应力，得到实际屈曲应力。3、考虑局部安全系数，获得许用屈曲应力。,11,屈曲稳定性计算分析许用应力计算,我们以纵向正应力屈曲稳定性为例，进行理想屈曲应力到许用屈曲应力的求解推导。首先，应确定结构的边界条件，从DIN18800-4可以查到，对于法兰段来说，约束属于RB2-RB2，=1。,12,屈曲稳定性计算分析许用应力计算,同样，我们以直筒作为研究对象进行分析。塔架一般为锥筒，求解时需要进行一些简单的修正，大家可以参考DIN18800-4自行修正。,13,屈曲稳定性计算分析许用应力计算,要从结构的几何参数确定是否需要进行屈曲稳定性计算。如果需要计算，那么结构属于短筒、长筒还是超长筒。不同的结构有不同的理想屈曲应力。,NOT,该公式不成立时，表示需要计算壳体屈曲稳定性。,超长筒时，DIN18800-4不再适用，改用DIN18800-2进行屈曲计算。,14,屈曲稳定性计算分析,示范完成假设计算。,15,屈曲稳定性计算分析许用应力计算,考虑实际几何缺陷，计算实际屈曲应力。,16,屈曲稳定性计算分析许用应力计算,考虑局部安全系数，计算许用屈曲应力。,17,屈曲稳定性计算分析,示范完成假设计算。,18,门框焊缝计算分析极限强度,与环形焊缝、纵焊缝不同，门框焊缝的形状不规则，存在门洞的缺口效应，所以其应力状态比较复杂，因此，建议采用有限元方法进行分析。为了保证计算的精确，在门框附近网格的疏密程度存在一定要求，并且尽量采用六面体单元进行划分。其次，为了计算的准确，为了保证圣维南原理的适用，建立模型时，要求加载位置至少距离门框顶端2倍塔底直径。实际计算时，为了载荷便于获得和操作方便，一般取为第一法兰段进行计算。,19,门框焊缝计算分析极限强度,由于塔架结构简单，一般建议在ANSYS或者其他有限元程序中自己建立模型，不仅用于极限强度计算，而且在疲劳计算、屈曲稳定性分析上都使用同样的模型，可以节省部分工作量。加载方式可以采用刚性梁、MPC或者其他方式进行加载。只要是可以将6个分量的载荷加载到顶部的方法都可以。塔底底面进行全位移约束即可。,20,门框焊缝计算分析极限强度,加载极限工况，进行极限强度分析。需要指出的是，对于门框来说，受压时更容易出现最大应力，所以一般选取Mxy最大工况，并使弯矩方向等效于门框受压，进行分析。实际中，由于偏航作用和安装时的问题，门框也确实可能受到不同方向的载荷，所以，对于设计方来说，以上的分析也是充分合理的。当然，也可以工程师自己拼凑一些“工况”，达到充分保守的分析目的。,21,门框焊缝计算分析极限强度,后处理说明，我们关心什么地方？我们不关心顶部加载位置的应力，也不关心顶部法兰的应力。首先，我们的分析目的是获得门框附近应力。其次，加载附近的应力是计算不准确的。再次，法兰我们有相关的方法进行计算，此处，我们没有必要越俎代庖。一般来说，我们将VonMises应力的显示范围设置在0（许用应力）之间，对于Q345材料1635mm壁厚，295MPa。这样可以方便我们检查。,22,门框焊缝计算分析极限强度,后处理说明，最大VonMises应力大于许用应力怎么处理？由于几何应力集中作用以及数值求解原因，在焊缝位置不可避免的有很大的应力。当这个最大VonMises应力大于时，我们不必着急，对于一般的钢结构设计来说，是允许一定的塑性设计的。但是要认可这种设计要满足两个条件：1、超过区域不能大于壁厚的1/5。2、这种极端工况必须发生概率极低（例如，50年一遇）。建议直接进行材料非线性分析，以避免塑性区域的判断误差。,23,门框焊缝计算分析疲劳强度,同样，首先介绍焊缝的S-N曲线。曲线形式与本讲稿15页中一致，计算所用为本讲稿16页中的形式，但斜率可能有些差别。其疲劳等级我们只能在EC31-9中找到，其疲劳等级为100，但需要进行焊趾应力计算，工程计算的名义应力不可以继续使用。,24,门框焊缝计算分析疲劳强度,要讲焊趾应力的计算，首先就要介绍什么是应力外推。焊趾应力外推，可以参看IIW（国际焊接协会）的规定以及EC31-9中的论述。有限元计算时，由于几何和数值因素，焊趾位置不可避免地出现应力集中，而且随着网格的细化，应力数值会不断的上升，这是不合实际的。采用应力外推的方法，进行焊趾应力的获取，目前是比较公认的方法。,25,门框焊缝计算分析疲劳强度,目前，我们一般认可的是IIW（国际焊接协会）的外推方法，即，在距离焊趾0.4倍壁厚位置和1.0倍壁厚位置选取应力，在进行线性外推。,26,门框焊缝计算分析疲劳强度,在有限元中建立焊缝形貌，无论对于厂家还是分析方来说，都是一个困难的工作。因此，DNV海上风机设计指南以及一些文章和文献都对此进行了论述，总结出了在有限元分析中的可以接受的几种方法，如上图，后两种简化方法是我们大家都喜闻乐见的、很容易实现的分析方法。,27,门框焊缝计算分析疲劳强度,在了解了应力外推方法之后，我们还需要知道，我们要外推那几个应力分量，或者说，那几个应力分量是焊缝疲劳计算的关注点。,28,门框焊缝计算分析疲劳强度,最后，我们要清楚复杂应力状态下，疲劳破坏的判据是什么。,29,门框焊缝计算分析疲劳强度,实际操作说明。我们可以沿用极限强度分析所使用的有限元模型，当然，一般来说，疲劳分析要求相对较高，从模型的建立来说，一般是先建立疲劳模型，而后不用修改可以直接用于极限分析。左图可见，将塔筒壁进行切割，分别距离几何交角点0.4t和1.0t。当然，门框法兰上也可以进行切割，但是根据我们的经验，这是没有必要的。,30,门框焊缝计算分析疲劳强度,挑选主载荷。还是那个问题，究竟什么是主导疲劳分析的主载荷？是M还是F，是Mx还是My？剪力是否考虑？,31,门框焊缝计算分析疲劳强度,后处理操作说明。根据EC31-9的要求，我们要获取垂直于焊缝的正应力、切应力和平行于焊缝的切应力。左图可见，我们可以利用节点建立坐标系，获取每个0.4t和1.0t轮廓线上的节点应力。进行应力外推。,32,门框焊缝计算分析疲劳强度,33,门框焊缝计算分析疲劳强度,34,门框焊缝计算分析疲劳强度,热点的选取问题，也就是怎样选取危险节点。上面的三幅图是外推正应力与载荷的关系，从哪一个图中选取呢？这要看那个载荷分量是该位置的主载荷，或者说，那个载荷分量产生的应力最大，显然是My。那么，是正应力还是切应力对疲劳其主导呢？不同厂家的设计，这很难判断，最保险的方法是多选些热点进行计算。,35,门框焊缝计算分析疲