焦炭塔结构模态分析范文

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《机械工程师杂志》2014年第五期

1焦炭塔结构及基本参数

焦炭塔的结构尺寸如图2所示，采用的容器规格为准6000×30975，整个容器由塔体和泡沫段以及生焦段组成，其中，球形封头、上下筒体和锥形封头组成塔体，采用的泡沫段筒体的壁厚为28mm，充焦段的壁厚为32mm，锥形封头和下筒体以3000mm的半径过渡，壁厚为32mm，而上封头采用和上筒体一样的复合钢板，壁厚为28mm。塔体和焦炭材料性能如表1所示。

2模态分析

运用ANSYS有限元分析软件来进行模态分析，可以确定焦炭塔的固有频率和振型［5］，分别采用板壳单元和实体单元对焦炭塔进行模态分析，比较出两种不同类型单元对模态分析的异同。从图5的固有频率曲线可以看出，实体法与板壳法前6阶的频率基本接近，后面4阶存在差异，特别是第9、10阶固有频率区别明显。对于焦炭塔而言，当外界激励频率与固有频率相近或相等时，产生的模态应力最大，对焦炭塔的危害也最大［6］。而在实际的应用中由于前几阶低频对结构的振动特性影响最为显著，因此往往只考虑前几阶固有频率的影响，而舍去高阶模态［7］。根据有限元分析的结果可知，对于前6阶振动，无论是实体法还是板壳法，都以平行于x-z平面的振型为主，而从第7阶开始，板壳法的振型图出现了明显的变形鼓胀，对于一般的薄壁容器来说，在载荷作用下，该现象是的存在是合理的，而实体法却未能体现塔体的膨胀变形，这与实际的塔体变形不符，从第7阶模态分析开始两者分析的差距也逐渐增大。可见对于高阶模态分析板壳法有更准确的分析结果。

3风的诱导振动

早在20世纪的初期，一些钢制圆筒形的烟筒在较低的风速作用下，以较高的频率在垂直方向产生振动，并导致结构破坏，这种现象引起了人们的广泛的关注，并开始对这种横向振动进行研究。从塔的前半周，流体能从主流体获得能量而使速度不下降(主流体增加能量大于摩擦减少的能量)，然而在塔的后半周，则情况相反，其速度会不断地减少，导致边界层不断增厚。外界层主流体将绕过堆积的边界层，使堆积的边界层背后形成一流体的空白区。在逆向压强梯度的作用下，流体倒流至空白区，并推开堆积层的流体，这样在塔体的背后就产生了漩涡，这样的漩涡通常称为卡门漩涡（KarmanVortex）［8］，如图6所示。在出现卡门漩涡时，塔体两侧漩涡交替产生和脱落。当漩涡脱落的频率与塔的固有频率一致时，塔就会产生共振。塔产生共振时的风速称为临界风速，若采用斯特劳哈尔数Sr=0.2，则临界风速vcrj=5fjD=5D/Tj。（1）式中，vcrj为塔第j阶临界风速，fj为塔第j阶固有频率，Tj为塔第j阶固有周期，D为塔的外直径。

4塔设备的防震

计算塔的固有频率是计算地震载荷对塔作用的前提，这里以宁河天津波地震记录的加速度参数，获取位移—时间振动图像如图7所示。如果塔设备产生共振，轻者使塔设备产生严重弯曲、倾斜、塔板效率下降，影响塔设备的正常工作，重者使塔设备产生严重破坏，造成事故。因此，在塔设计阶段就要采取措施以防止共振的发生。地震波可用波形函数A（t）来描述，根据频谱分析理论，A（t）可以看成是由无限个频率连续变化的谐振动叠加而成的，地震波的频谱分析方法是以傅里叶变换为基础的。根据以上图形可采用离散傅里叶变换或FFT，傅里叶变换的数学表达式为A（f）=+∞-∞乙a（t）e-i2πft•dt。（2）最终得到焦炭塔的频率—振幅图像，当焦炭塔发生共振时，所产生的应力和位移都将最大，在实际设计中应当避免因地震波所造成的对塔的最大损害。

5结论

焦炭塔模态分析采用了两种方法，即实体法和板壳法，两种方法通过ANSYS模态分析得出的振动频率在前面6阶基本相同。因此在以后的设计中处理焦炭塔结构振动问题时就可以采用板壳法进行计算与分析，避免了依靠人力计算的复杂性，大大提高了工作效率。在频率较低的情况下，焦炭塔以垂直于x-y平面的振动为主，而随着频率的变化，其振动方向也会随之有一定的变化，特别是当频率增大到一定值后，鼓胀变形的现象出现于塔体。在确定焦炭塔固有频率之后，可根据相应的公式预测临界风速的大小，避免焦炭塔的共振，为设计焦炭塔的安全使用提供理论依据。模态分析是动力学分析的基础，当了解了焦炭塔的模态结果后，可进一步了解其他特性，例如动力学响应，抗震研究等，为焦炭塔的安全稳定工作提供技术支持，延长其使用寿命。这也是本文下一步研究的重点。

作者：张应迁吴恒项超单位：四川理工学院机械工程学院