一套完整的高耸塔设备风诱导振动分析设计体系-dzy分析.doc

1、权利要求书1.一套完整的高耸塔设备风诱导下振动分析设计体系。主要包括振动分析、谐响应分析和强度分析。该方法能够灵活、有效的减缓由风诱导的高耸塔设备的振动问题，保证高耸塔设备的安全使用，并尽可能的减小风诱导下产生的顺风向、横风向振动以及引起的共振。同时通过本项目的研究和推广应用，为新标准或新方法的制订提供技术依据。2.如权利要求 1 所述的一套完整的高耸塔设备风诱导下振动分析设计体系，其特征在于包括以下步骤：（1） 结构动力特性和风诱导振动有限元分析。采用有限元分析软件 ANSYS 建立高耸塔设备的三维实体模型和有限元模型，并利用模态分析的方法对结构进行自振特性分析，以此来获取结构的动力特性参数

2、，主要包括各介固有频率、振型、模态质量等。在此为基础，对未加控制装置的高塔结构进行振动分析，以确定其是否需要进行风诱导下振动分析。（2） 确定最佳的 TMD 减振控制系统形式，并选取最优的系统参数。对 TMD 系统控制下结构的风诱导振动利用 ANSYS 进行有限元分析，对各种控制方案的控制效果进行分析比较，并综合考虑控制效果和经济效益，从而选定最佳的控制系统模型，确定最优的系统参数。（3）对 TMD 系统抗风振效果进行评估。对装有 TMD 系统高塔设备的实际抗风振效果进行测试与评定， 并分析其稳定性与可靠性， 对达不到抗风振要求的设备， 对 TMD 系统的参数进行调整和优化，并重新评估和计算，

3、直至达到要求。3. 如权利要求 2 所述的一套完整的高耸塔设备抗振动分析设计体系，其特征在于所述的步骤（ 2）中，利用谐响应分析研究 TMD 控制系统各参数与风振1控制参数（共振振幅、位移、加速度）的关系并获得关系曲线图， 从而确定 TMD减振控制系统形式（包括TMD 的位置和布置形式）以及最优的系统参数（包括TMD 系统的质量 M opt 、频率 f opt 、阻尼比opt 、弹性刚度 K opt 和阻尼系数 Copt ）。2说明书一套完整的高耸塔设备抗振动分析设计体系技术领域本发明涉及振动控制领域，具体涉及一套完整的高耸塔设备抗振动分析设计体系。背景技术塔体的剧烈振动会使塔体产生严重弯曲、

4、倾斜、塔板效率下降，导致无法维持正常的生产运行而造成严重的经济损失。持续而剧烈的振动还会造成塔体裙座应力变化幅度过大形成疲劳裂纹，导致设备的开裂破坏，甚至会造成人员的伤亡，引发严重的安全事故。我国大型石化企业多建在沿海地区，生产装置常承受台风等风载荷的作用，风诱导振动导致的塔设备破坏更为突出，风诱导振动导致设备破坏的事故已多次发生。石化生产装置的建设周期长达几年，不少设备现场安装就位后要空置一段时间后才能投入生产。空置塔设备内没有物料，对风诱导振动的阻尼不同于操作状态下的设备，即使进行了合理的操作条件下的抗振动设计，塔设备也可能在空置期间发生风诱导振动而破坏。因此，对由风诱导产生的高塔设备振动

5、的研究和振动控制装置的研发是一个亟待解决的实际问题。目前，减振的主要思路是通过采用各种措施，达到增加结构的阻尼、刚度、固有频率，或影响结构周围卡门涡街的形成，从而达到避免结构出现诱导振动的目的。常规减振方法如下：主要通过降低塔高，增大内径，或增加塔的厚度，可增大塔的固有频率，但这很大程度上取决于工艺条件许可的情况下进行，而且会增加塔的制造成本。采用拉索控制，交叉支撑等方式来使塔器固定，以减弱塔器的振动，但这3种方法往往受场地空间的限制而不易实现。沿塔体周围焊接一些螺旋式或轴向式翅片可以消除涡旋的形成或改变涡旋的脱落方式，从而减弱风诱导振动。但塔器通常有外保温层，且安装有众多的附件，所以这种方法

6、实际操作起来往往困难很大，且成本较大。合理布置塔器的梯子、平台、管线和其他附件，有利于消除或破坏卡门涡街的形成，这是一种减缓或消除风诱导振动的措施，但大多依赖于人员的工程经验，并无很好的理论依据及实施方法。以上这些措施在工程实践中的运用表明，很多情况下仅采取这种措施是远远不够的。近年来，结构风振控制的理论与实践应用都得到了飞速发展，其中的被动控制技术因其减振机理明确、控制效果显著、经济效益可观的优点，一直是世界各国学者的研究重点，该技术已日趋成熟。调谐质量阻尼器（ Tuned Mass Damper），简称 TMD ，是最常用的一种被动控制系统，在生产实践中得到了广泛应用。它是在结构物顶部或上

7、部某位置上加上惯性质量，并配以弹簧和阻尼器与主体结构相连。调谐质量阻尼器的振动频率接近主结构的频率，控制策略为应用子结构与主结构控制振型共振达到动力吸振的目的，应用阻尼结构不断消耗主结构和子结构的能量来降低主结构的动力响应。为了说明 TMD 系统的吸振原理，将被控的主结构系统和 TMD 子系统模型简化为两自由度的质量、弹簧、阻尼系统，参见图 2。该系统的运动方程为：m1 x1(c1c2 )x1(k1 k2 ) x1c2 x k2 x2 F (t)m2 x2c2 x2k2 x2c2 x1k2 x10其中，m1 为被控主结构的质量，k1 为被控制结构的刚度系数，c1 为被控主结构的阻尼系数， x1

8、 为被控主结构离开平衡位置的位移；m2 为 TMD 系统的4质量， k2 为 TMD 系统的刚度系数， c2 为 TMD 系统的阻尼系数， x2 为 TMD系统离开平衡位置的位移； 设主结构受简谐激励 F (t )F sin t ，频率为 。0可求得运动方程的解为：(k22mic2)F (t )x1 (t )2 m i(c22 m)2kc) ( kic) (kic k2222221112x2(t )(k2 ic 2) F (t)k2 mi(cc) ( k2 mic) (kic)2 k2222212112显然，通过选取适当的 TMD 系统参数 m2 、k2 和 c2 ，可以有效地减小被控主结构的

9、振动响应，极大地提高设备的安全性能。TMD 作为一种被动控制方式，因其构造简单，易于安装，维护方便，经济实用，不需要外力，并且控制效果明显，有着其他方式无法比拟的优点，因此在高层建筑和高耸结构抗风控制中有广阔应用前景。目前国外高层建筑利用TMD 进行风振控制工程实例已经不少。有名的如美国纽约的世界贸易中心大楼和波士顿的John Hancock大楼。而高耸结构，如塔式结构风振控制的工程也很多，如澳大利亚的悉尼电视塔和加拿大的多伦多电视塔等。在我国，瞿伟廉教授对U 型水箱做质量块的TMD 控制系统进行了深入的研究，并将其应用到上海气象塔的抗风设计中，这是我国结构控制理论应用于实际工程的第一例。黑龙

10、江电视塔采用悬挂水箱做质量块的TMD 控制系统，效果明显。此外，嘉定电视塔、汕头电视塔、合肥电视塔、上海东方明珠电视塔、河南艺术中心标志塔等都采用了TMD 控制系统，均取得了良好的控制效果。理论分析和实际工程应用表明，TMD 控制系统能明显减少高塔的塔顶位移和加速度反应，控制效果可达50%以上，而且经济耐用。5发明内容针对高耸塔设备在风诱导下的振动问题，本发明的目的在于建立一套较完整的高耸设备风诱导振动分析设计体系。所述的一套较完整的高耸设备分诱导振动分析设计体系，其特征在于包括振动分析、谐响应分析和强度分析为一体的分析计算方法；利用一种较为通用、低成本的减振装置，能够灵活、有效的减缓由风诱导

11、的高耸塔设备的振动问题；尽可能的减小风诱导下产生的顺风向、横风向振动以及引起的共振，保证高耸塔设备的安全使用。所述的一套较完整的高耸设备抗振动分析设计体系，其特征在于包括以下步骤：（1） 结构动力特性和风诱导振动有限元分析。采用有限元分析软件 ANSYS 建立高耸塔设备的三维实体模型和有限元模型，并选择模态分析的方法对结构进行自振特性分析，以此来掌握结构的动力特性参数，如固有频率、振型、模态质量等。在此基础上，对未加控制装置的高塔结构进行风诱导振动分析，以确定结构共振时的振幅。（2） 确定最佳的 TMD 减振控制系统形式，并选取最优的系统参数。对 TMD 系统控制下结构的风诱导振动利用 ANS

12、YS 进行有限元分析，对各种控制方案的控制效果进行分析比较，并综合考虑控制效果和经济效益，从而选定最佳的控制系统模型，确定最优的系统参数。（3） 对 TMD 系统抗风振效果进行评估。对装有 TMD 系统高塔设备的实际抗风振效果进行测试与评定， 并分析其稳定性与可靠性， 对达不到抗风振要求的设备， 对 TMD 系统的参数进行调整和优化，并重新评估和计算，直至达到要求。6所述的一套完整的高耸塔设备风诱导振动分析设计体系，其特征在于所述的步骤（2）中，利用谐响应分析研究TMD 控制系统各参数与风振控制参数（共振振幅、位移、加速度）的关系并获得关系曲线图，从而确定最佳的TMD 减振控制系统形式（包括

13、TMD 安装位置和布置形式） 以及最优的 TMD 系统参数（包括 TMD 系统的质量 M opt 、频率 f opt 、阻尼比 opt 、弹性刚度 K opt 和阻尼系数 Copt ）。上述的一套较完整的高耸设备抗振动分析设计体系，设计合理，与传统的减振控制技术相比，本发明优越性在于：1) 本发明集振动分析、谐响应分析、强度分析和减振装置设计为一体，充分利用有限元软件在结构强度分析和结构动力分析方面优势，快速地完成高耸塔设备从振动分析到减振装置开发的整个流程，极大地提高了工程设计的效率，也在很大程度上节约了工程设计的成本。2）TMD 系统主要有质量块、弹簧系统、阻尼系统组成，TMD 质量块可以

14、利用水箱、混凝土块或装铅的钢箱，弹簧系统可用普通的螺旋弹簧或气动弹簧，阻尼器通常用油压阻尼器； 不同于麻烦且昂贵的传统减振措施，整个 TMD 系统构造简单，易于安装，维护方便且造价低廉。3）TMD 系统减振机理明确，控制效果显著，能有效减小主结构振动响应，在合理选取质量、 刚度系数、阻尼系数等系统参数的情况下，研究表明它对结构风振控制的最佳效果可达50%以上。4）TMD 系统的减振效果十分显著，因此主结构可以减少加固结构并简化施工，从而可以节约工程造价并加快施工速度。5）可以充分利用已有的结构设置TMD 系统，并对某些难以采取传统措施进行减振控制的高塔，提供了难以替代的减振策略。7附图说明图

15、1 为项目的实行流程图；图 2 为 TMD 系统的减振原理图；图 4 为风载荷角度与风振控制效果关系图；图 5 为质量比与风振控制效果关系图图 6 为频率比与风振控制效果关系图；图 7 为阻尼系数与风振控制效果关系图；具体实施方式以下结合具体工程实例来进一步说明本发明。工程实例1.工程概述所分析的塔为沿海地区某石化装置中的第一萃取精馏塔，该塔总高49800mm，裙座高度为 5700mm，裙座内径为 2400/ 4000mm，塔体内径为 2400，塔体壁厚为 14mm，裙座壁厚为 16mm，上下封头均为标准椭圆形封头。该塔属于高耸高柔结构，安装就位后，在风载荷作用下有明显的振动效应，严重影响了结

16、构的安全可靠性。2.结构动力特性和风诱导振动有限元分析应用有限元分析软件ANSYS 建立了精馏塔的三维有限元分析模型，采用Subspace法进行模态分析，计算了精馏塔的前20 阶振型，前 5 阶固有频率见下表。阶数12345固有频率（Hz）0.815535.29666.55638.835313.3608系统的振动能量主要集中在低阶频率尤其是一阶频率上。对塔器振动控制，主要考虑第一阶振型和第二阶振型的振动。在对精馏塔模态分析的基础上，对未加风振控制装置的精馏塔进行谐响应分析以获取风诱导下塔体共振时的振幅，计算结果表明第一振型共振振幅约为第二振型共振振幅的 50 倍，第一振型共振振幅已超出工程安全

17、许可的范围，因此，必须对精馏塔第一振型的振动进行控制。3.确定最佳的 TMD 减振控制系统形式，并选取最优的系统参数。在 ANSYS 中，利用弹簧阻尼单元 combin14 和 mass21质量单元可以对 TMD系统进行模拟。 对加装 TMD 控制系统的精馏塔进行谐响应分析， 以确定最佳的 TMD 减振控制系统形式，并选取最优的系统参数。（1）TMD 系统安装位置的确定TMD 控制装置安装于主振型位移最大处的控制效果最佳， 对于本工程实例，由于只需要对第一振型的振动进行控制， TMD 控制装置安装于结构顶层控制效果最好。（2）TMD 系统布置形式的确定图 3 是可用于风振控制的 TMD 系统布

18、置的四种形式， 本发明主要考虑到风载荷角度不同时，风振控制的效果是不同的，因此研究了风载荷角度与风振控制效果的关系，参见图 4，其中风振控制效果用塔顶共振振幅的减小量表示。由图 4 可看出，当采用模型或模型时，风振控制效果随风载荷角度的不同而不同，有时甚至毫无效果；而采用模型或模型时，风振控制效果显著并十分稳定，考虑到安装空间限制等实际工程要素，本例取模型。（3）最佳质量比的确定图 5 是风振控制效果与质量比 （即 TMD 质量与塔体总质量的比值） 的关系9图。有限元分析结果表明风振控制效果随质量比的增大而提高，但质量比增大到一定程度，风振控制的效果已经不明显。本例取质量比 1.5%，对应 T

19、MD 总质量为 1.049 吨。（4）最佳频率比的确定图 6 是风振控制效果与频率比 （即 TMD 系统的频率与主结构一阶固有频率的比值）的关系图。有限元分析结果表明随频率比的不同，风振控制效果也不同，当频率比 1.0 附近时，控制效果最好。本例取频率比0.99，对应弹簧系统刚度系数为 2.68N/mm。（5）最佳阻尼系数的确定图 7 是风振控制效果与阻尼系数的关系图。有限元分析结果表明风振控制效果随阻尼系数的增大而提高，但阻尼系数增大到一定程度，控制效果反而随阻尼系数的增大而降低。本例取阻尼系数为 64Kg/mm?s。（6）结构风诱导振动减振效果分析采用最佳 TMD 减振控制系统形式和最优的系统参数后， 利用有限元分析了精馏塔在风载荷作用下的振动响应。计算结果表明，对风诱导振动的控制效果可达到 64%，满足结构设计安全控制的目标。3. TMD 控制装置结构设计通过对加风振控制装置的精馏塔的谐响应分析，已经确定了 TMD 减振控制系统形式（包括 TMD 的安装位置和布置形式） 以及最优的系统参数 （包括 TMD 系统的质量 M opt 、频率 f opt 、阻尼比 opt 、弹性刚度 K opt 和阻尼系数 Copt ）。根据以上技术参数，结合安装