2.1.1 气柜结构有限元模型
华东某 30 万 3m大型气柜筒体直径为 62.68m,高度为 110.10m,设置 32 根 H300 型钢立柱,带肋壁板采用 7mm 厚钢板。顶盖高 6.81m,32 根经向主肋为槽钢[28a;10 道槽钢环向主肋(外侧 2 道[28a,中间 2 道[22a,内侧 ,6 道[18a);顶盖中央环梁为 H300型钢。经向次肋为角钢 L80x6;盖板为 4mm 钢板。基于工程实例,筒体的立柱、环梁和顶盖骨架均采用 Beam188 梁单元模拟,筒体壁板和顶盖板采用 Shell181 壳单元模拟。各构件之间均采用绑定约束,筒体底部的立柱与壁板均为三向固定约束。图 2.1 为气柜结
在 ANSYS 建模中,单元的选择至关重要。气柜加劲壳体分析中所用主要单元如下:
1)气柜顶盖和筒体的薄壳选用 Shell181 单元
Shell181 壳单元能够很好地模拟薄至中等厚度的壳形结构。每个节点具有六个自由度(x、y、z 方向的平动、绕 x、y、z 轴的转动),适用于线性、大角度转动和非线性大应变的问题。在单元范围内支持完全和减缩的积分方法,能很好地解决计算中收敛困难的问题。
2)梁、柱以及加劲肋选用 Beam188 单元
Beam188 是三维线性或二次梁单元。每个节点有六个或者七个自由度,自由度的个数取决于 KEYOPT(1)的值。当 KEYOPT(1)=1 时,每个节点有六个自由度,并引入横截面的翘曲作为其第七个自由度。此单元能很好地解决线性、大角度转动及非线性大应变等问题,并且可以采用 scctype、sccdata、sccoffsct、sccwrite 及 sccread 定义梁的横截面,准确定位梁截面的方向,真实模拟加劲肋的截面特性及相对于薄壳的偏心位置。 气柜采用 Q235B 钢材,ANSYS 有限元分析中将材料的本构关系设置为理想弹塑性,选用的双线性等向强化模型(TB,BISO)。
2.1.2 气柜结构模态分析
对图 2.1 所示的气柜筒体有限元模型运用子空间迭代法(subspace)进行模态计算,提取前 800 阶模态,绝大多数均为板件的局部振动。针对气柜的六道走道环梁,找到相对应的前 6 阶主振型,分别在第 40、135、283、412、512 和 620 步,见图 2.2。
由图可见:
(1)第 1 阶振型以顶盖和第 6 道环梁水平方向平动为主,气柜沿高度变形的变化较为一致,略呈现弯曲型变形。
(2)第 2 阶振型以水平方向平动为主,在气柜高度中点附近出现一个反弯点,顶盖与基底之间呈现剪切型变形;并且顶盖局部出现竖向振动。
(3)第 3~6 阶振型仍以水平方向平动为主,分别出现 2~5 个反弯点,环梁之间呈现剪切型变形;同时气柜的转动变形也变大,顶盖整体竖向振动也越来越强烈。
(4)气柜结构各阶水平变形较大的位置均位于或接近走道环梁所在之处,故走道的设置对筒体的高阶振型有一定的影响。
通过对气柜结构的前 6 阶振型进行分析表明:结构的第 1 和第 2 阶振型相对简单明确,模态阶次越高自振特性越复杂,气柜结构的模态振型表现为多种振动形式的叠加。
各阶振型图从直观的方面反映结构的刚度分布,自振频率从数值的方面反映了结构的刚度状况。该 6 阶的自振频率见表 2.1。各阶模态自振频率变化如图 2.3 所示。 从表 2.1 和图 2.3 中可以看出气柜结构的基频相对较高,因此该结构具有较好的刚度;从基频到第四阶结构频率增加较快,第四阶以后结构频率增长相对缓慢一些。基频决
定着结构是否易于遭受某种频率外荷载的共振破坏,因此在气柜筒体结构地震响应计算时,应主要考虑低阶振型的影响和弯剪组合变形的性质,忽略高阶各振型间的相关性。