一套完整的高聳塔設(shè)備風誘導振動分析設(shè)計體系 - dzy

1、權(quán)利要求書1.一套完整的高聳塔設(shè)備風誘導下振動分析設(shè)計體系。主要包括振動分析、諧響應(yīng)分析和強度分析。該方法能夠靈活、有效的減緩由風誘導的高聳塔設(shè)備的振動問題，保證高聳塔設(shè)備的安全使用，并盡可能的減小風誘導下產(chǎn)生的順風向、橫風向振動以及引起的共振。同時通過本項目的研究和推廣應(yīng)用，為新標準或新方法的制訂提供技術(shù)依據(jù)。2.如權(quán)利要求1所述的一套完整的高聳塔設(shè)備風誘導下振動分析設(shè)計體系，其特征在于包括以下步驟：（1） 結(jié)構(gòu)動力特性和風誘導振動有限元分析。采用有限元分析軟件ANSYS建立高聳塔設(shè)備的三維實體模型和有限元模型，并利用模態(tài)分析的方法對結(jié)構(gòu)進行自振特性分析，以此來獲取結(jié)構(gòu)的動力特性參數(shù)，主要包

2、括各介固有頻率、振型、模態(tài)質(zhì)量等。在此為基礎(chǔ)，對未加控制裝置的高塔結(jié)構(gòu)進行振動分析，以確定其是否需要進行風誘導下振動分析。（2） 確定最佳的TMD減振控制系統(tǒng)形式，并選取最優(yōu)的系統(tǒng)參數(shù)。對TMD系統(tǒng)控制下結(jié)構(gòu)的風誘導振動利用ANSYS進行有限元分析，對各種控制方案的控制效果進行分析比較，并綜合考慮控制效果和經(jīng)濟效益，從而選定最佳的控制系統(tǒng)模型，確定最優(yōu)的系統(tǒng)參數(shù)。（3）對TMD系統(tǒng)抗風振效果進行評估。對裝有TMD系統(tǒng)高塔設(shè)備的實際抗風振效果進行測試與評定，并分析其穩(wěn)定性與可靠性，對達不到抗風振要求的設(shè)備，對TMD系統(tǒng)的參數(shù)進行調(diào)整和優(yōu)化，并重新評估和計算，直至達到要求。3. 如權(quán)利要求2所述的

3、一套完整的高聳塔設(shè)備抗振動分析設(shè)計體系，其特征在于所述的步驟（2）中，利用諧響應(yīng)分析研究TMD控制系統(tǒng)各參數(shù)與風振控制參數(shù)（共振振幅、位移、加速度）的關(guān)系并獲得關(guān)系曲線圖，從而確定TMD減振控制系統(tǒng)形式（包括TMD的位置和布置形式）以及最優(yōu)的系統(tǒng)參數(shù)（包括TMD系統(tǒng)的質(zhì)量、頻率、阻尼比、彈性剛度和阻尼系數(shù)）。說明書一套完整的高聳塔設(shè)備抗振動分析設(shè)計體系技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明涉及振動控制領(lǐng)域，具體涉及一套完整的高聳塔設(shè)備抗振動分析設(shè)計體系。背景技術(shù)塔體的劇烈振動會使塔體產(chǎn)生嚴重彎曲、傾斜、塔板效率下降，導致無法維持正常的生產(chǎn)運行而造成嚴重的經(jīng)濟損失。持續(xù)而劇烈的振動還會造成塔體裙座應(yīng)力變化幅度過大形成疲

4、勞裂紋，導致設(shè)備的開裂破壞，甚至會造成人員的傷亡，引發(fā)嚴重的安全事故。我國大型石化企業(yè)多建在沿海地區(qū)，生產(chǎn)裝置常承受臺風等風載荷的作用，風誘導振動導致的塔設(shè)備破壞更為突出，風誘導振動導致設(shè)備破壞的事故已多次發(fā)生。石化生產(chǎn)裝置的建設(shè)周期長達幾年，不少設(shè)備現(xiàn)場安裝就位后要空置一段時間后才能投入生產(chǎn)?？罩盟O(shè)備內(nèi)沒有物料，對風誘導振動的阻尼不同于操作狀態(tài)下的設(shè)備，即使進行了合理的操作條件下的抗振動設(shè)計，塔設(shè)備也可能在空置期間發(fā)生風誘導振動而破壞。因此，對由風誘導產(chǎn)生的高塔設(shè)備振動的研究和振動控制裝置的研發(fā)是一個亟待解決的實際問題。目前，減振的主要思路是通過采用各種措施，達到增加結(jié)構(gòu)的阻尼、剛度、固有

5、頻率，或影響結(jié)構(gòu)周圍卡門渦街的形成，從而達到避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)誘導振動的目的。常規(guī)減振方法如下：主要通過降低塔高，增大內(nèi)徑，或增加塔的厚度，可增大塔的固有頻率，但這很大程度上取決于工藝條件許可的情況下進行，而且會增加塔的制造成本。采用拉索控制，交叉支撐等方式來使塔器固定，以減弱塔器的振動，但這種方法往往受場地空間的限制而不易實現(xiàn)。沿塔體周圍焊接一些螺旋式或軸向式翅片可以消除渦旋的形成或改變渦旋的脫落方式，從而減弱風誘導振動。但塔器通常有外保溫層，且安裝有眾多的附件，所以這種方法實際操作起來往往困難很大，且成本較大。合理布置塔器的梯子、平臺、管線和其他附件，有利于消除或破壞卡門渦街的形成，這是一種減緩

6、或消除風誘導振動的措施，但大多依賴于人員的工程經(jīng)驗，并無很好的理論依據(jù)及實施方法。以上這些措施在工程實踐中的運用表明，很多情況下僅采取這種措施是遠遠不夠的。近年來，結(jié)構(gòu)風振控制的理論與實踐應(yīng)用都得到了飛速發(fā)展，其中的被動控制技術(shù)因其減振機理明確、控制效果顯著、經(jīng)濟效益可觀的優(yōu)點，一直是世界各國學者的研究重點，該技術(shù)已日趨成熟。調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（Tuned Mass Damper），簡稱TMD，是最常用的一種被動控制系統(tǒng)，在生產(chǎn)實踐中得到了廣泛應(yīng)用。它是在結(jié)構(gòu)物頂部或上部某位置上加上慣性質(zhì)量，并配以彈簧和阻尼器與主體結(jié)構(gòu)相連。調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的振動頻率接近主結(jié)構(gòu)的頻率，控制策略為應(yīng)用子結(jié)構(gòu)與主結(jié)構(gòu)控

7、制振型共振達到動力吸振的目的，應(yīng)用阻尼結(jié)構(gòu)不斷消耗主結(jié)構(gòu)和子結(jié)構(gòu)的能量來降低主結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。為了說明TMD系統(tǒng)的吸振原理，將被控的主結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和TMD子系統(tǒng)模型簡化為兩自由度的質(zhì)量、彈簧、阻尼系統(tǒng)，參見圖2。該系統(tǒng)的運動方程為：其中，為被控主結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，為被控制結(jié)構(gòu)的剛度系數(shù)，為被控主結(jié)構(gòu)的阻尼系數(shù)，為被控主結(jié)構(gòu)離開平衡位置的位移；為TMD系統(tǒng)的質(zhì)量，為TMD系統(tǒng)的剛度系數(shù)，為TMD系統(tǒng)的阻尼系數(shù)，為TMD系統(tǒng)離開平衡位置的位移；設(shè)主結(jié)構(gòu)受簡諧激勵，頻率為。可求得運動方程的解為：顯然，通過選取適當?shù)腡MD系統(tǒng)參數(shù)、和，可以有效地減小被控主結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)，極大地提高設(shè)備的安全性能。TMD作為一種

8、被動控制方式，因其構(gòu)造簡單，易于安裝，維護方便，經(jīng)濟實用，不需要外力，并且控制效果明顯，有著其他方式無法比擬的優(yōu)點，因此在高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)抗風控制中有廣闊應(yīng)用前景。目前國外高層建筑利用TMD進行風振控制工程實例已經(jīng)不少。有名的如美國紐約的世界貿(mào)易中心大樓和波士頓的John Hancock大樓。而高聳結(jié)構(gòu)，如塔式結(jié)構(gòu)風振控制的工程也很多，如澳大利亞的悉尼電視塔和加拿大的多倫多電視塔等。在我國，瞿偉廉教授對U型水箱做質(zhì)量塊的TMD控制系統(tǒng)進行了深入的研究，并將其應(yīng)用到上海氣象塔的抗風設(shè)計中，這是我國結(jié)構(gòu)控制理論應(yīng)用于實際工程的第一例。黑龍江電視塔采用懸掛水箱做質(zhì)量塊的TMD控制系統(tǒng)，效果明顯。此

9、外，嘉定電視塔、汕頭電視塔、合肥電視塔、上海東方明珠電視塔、河南藝術(shù)中心標志塔等都采用了TMD控制系統(tǒng)，均取得了良好的控制效果。理論分析和實際工程應(yīng)用表明，TMD控制系統(tǒng)能明顯減少高塔的塔頂位移和加速度反應(yīng)，控制效果可達50%以上，而且經(jīng)濟耐用。發(fā)明內(nèi)容針對高聳塔設(shè)備在風誘導下的振動問題，本發(fā)明的目的在于建立一套較完整的高聳設(shè)備風誘導振動分析設(shè)計體系。所述的一套較完整的高聳設(shè)備分誘導振動分析設(shè)計體系，其特征在于包括振動分析、諧響應(yīng)分析和強度分析為一體的分析計算方法；利用一種較為通用、低成本的減振裝置，能夠靈活、有效的減緩由風誘導的高聳塔設(shè)備的振動問題；盡可能的減小風誘導下產(chǎn)生的順風向、橫風向振

10、動以及引起的共振，保證高聳塔設(shè)備的安全使用。所述的一套較完整的高聳設(shè)備抗振動分析設(shè)計體系，其特征在于包括以下步驟：（1） 結(jié)構(gòu)動力特性和風誘導振動有限元分析。采用有限元分析軟件ANSYS建立高聳塔設(shè)備的三維實體模型和有限元模型，并選擇模態(tài)分析的方法對結(jié)構(gòu)進行自振特性分析，以此來掌握結(jié)構(gòu)的動力特性參數(shù)，如固有頻率、振型、模態(tài)質(zhì)量等。在此基礎(chǔ)上，對未加控制裝置的高塔結(jié)構(gòu)進行風誘導振動分析，以確定結(jié)構(gòu)共振時的振幅。（2） 確定最佳的TMD減振控制系統(tǒng)形式，并選取最優(yōu)的系統(tǒng)參數(shù)。對TMD系統(tǒng)控制下結(jié)構(gòu)的風誘導振動利用ANSYS進行有限元分析，對各種控制方案的控制效果進行分析比較，并綜合考慮控制效果和經(jīng)

11、濟效益，從而選定最佳的控制系統(tǒng)模型，確定最優(yōu)的系統(tǒng)參數(shù)。（3） 對TMD系統(tǒng)抗風振效果進行評估。對裝有TMD系統(tǒng)高塔設(shè)備的實際抗風振效果進行測試與評定，并分析其穩(wěn)定性與可靠性，對達不到抗風振要求的設(shè)備，對TMD系統(tǒng)的參數(shù)進行調(diào)整和優(yōu)化，并重新評估和計算，直至達到要求。所述的一套完整的高聳塔設(shè)備風誘導振動分析設(shè)計體系，其特征在于所述的步驟（2）中，利用諧響應(yīng)分析研究TMD控制系統(tǒng)各參數(shù)與風振控制參數(shù)（共振振幅、位移、加速度）的關(guān)系并獲得關(guān)系曲線圖，從而確定最佳的TMD減振控制系統(tǒng)形式（包括TMD安裝位置和布置形式）以及最優(yōu)的TMD系統(tǒng)參數(shù)（包括TMD系統(tǒng)的質(zhì)量、頻率、阻尼比、彈性剛度和阻尼系數(shù)）

12、。上述的一套較完整的高聳設(shè)備抗振動分析設(shè)計體系，設(shè)計合理，與傳統(tǒng)的減振控制技術(shù)相比，本發(fā)明優(yōu)越性在于：1) 本發(fā)明集振動分析、諧響應(yīng)分析、強度分析和減振裝置設(shè)計為一體，充分利用有限元軟件在結(jié)構(gòu)強度分析和結(jié)構(gòu)動力分析方面優(yōu)勢，快速地完成高聳塔設(shè)備從振動分析到減振裝置開發(fā)的整個流程，極大地提高了工程設(shè)計的效率，也在很大程度上節(jié)約了工程設(shè)計的成本。2）TMD系統(tǒng)主要有質(zhì)量塊、彈簧系統(tǒng)、阻尼系統(tǒng)組成，TMD質(zhì)量塊可以利用水箱、混凝土塊或裝鉛的鋼箱，彈簧系統(tǒng)可用普通的螺旋彈簧或氣動彈簧，阻尼器通常用油壓阻尼器；不同于麻煩且昂貴的傳統(tǒng)減振措施，整個TMD系統(tǒng)構(gòu)造簡單，易于安裝，維護方便且造價低廉。3）TM

13、D系統(tǒng)減振機理明確，控制效果顯著，能有效減小主結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)，在合理選取質(zhì)量、剛度系數(shù)、阻尼系數(shù)等系統(tǒng)參數(shù)的情況下，研究表明它對結(jié)構(gòu)風振控制的最佳效果可達50%以上。4）TMD系統(tǒng)的減振效果十分顯著，因此主結(jié)構(gòu)可以減少加固結(jié)構(gòu)并簡化施工，從而可以節(jié)約工程造價并加快施工速度。5）可以充分利用已有的結(jié)構(gòu)設(shè)置TMD系統(tǒng)，并對某些難以采取傳統(tǒng)措施進行減振控制的高塔，提供了難以替代的減振策略。附圖說明圖1為項目的實行流程圖；圖2為TMD系統(tǒng)的減振原理圖；圖4為風載荷角度與風振控制效果關(guān)系圖；圖5為質(zhì)量比與風振控制效果關(guān)系圖圖6為頻率比與風振控制效果關(guān)系圖；圖7為阻尼系數(shù)與風振控制效果關(guān)系圖；具體實施方式以

14、下結(jié)合具體工程實例來進一步說明本發(fā)明。工程實例1.工程概述所分析的塔為沿海地區(qū)某石化裝置中的第一萃取精餾塔，該塔總高49800mm，裙座高度為5700mm，裙座內(nèi)徑為2400/4000mm，塔體內(nèi)徑為2400，塔體壁厚為14mm，裙座壁厚為16mm，上下封頭均為標準橢圓形封頭。該塔屬于高聳高柔結(jié)構(gòu)，安裝就位后，在風載荷作用下有明顯的振動效應(yīng)，嚴重影響了結(jié)構(gòu)的安全可靠性。2.結(jié)構(gòu)動力特性和風誘導振動有限元分析應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS建立了精餾塔的三維有限元分析模型，采用Subspace法進行模態(tài)分析，計算了精餾塔的前20階振型，前5階固有頻率見下表。階數(shù)12345固有頻率（Hz）0.8155

15、35.29666.55638.835313.360系統(tǒng)的振動能量主要集中在低階頻率尤其是一階頻率上。對塔器振動控制，主要考慮第一階振型和第二階振型的振動。在對精餾塔模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，對未加風振控制裝置的精餾塔進行諧響應(yīng)分析以獲取風誘導下塔體共振時的振幅，計算結(jié)果表明第一振型共振振幅約為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許可的范圍，因此，必須對精餾塔第一振型的振動進行控制。3.確定最佳的TMD減振控制系統(tǒng)形式，并選取最優(yōu)的系統(tǒng)參數(shù)。在ANSYS中，利用彈簧阻尼單元combin14和mass21質(zhì)量單元可以對TMD系統(tǒng)進行模擬。對加裝TMD控制系統(tǒng)的精餾塔進行諧響應(yīng)分析，以確

16、定最佳的TMD減振控制系統(tǒng)形式，并選取最優(yōu)的系統(tǒng)參數(shù)。（1）TMD系統(tǒng)安裝位置的確定TMD控制裝置安裝于主振型位移最大處的控制效果最佳，對于本工程實例，由于只需要對第一振型的振動進行控制，TMD控制裝置安裝于結(jié)構(gòu)頂層控制效果最好。（2）TMD系統(tǒng)布置形式的確定圖3是可用于風振控制的TMD系統(tǒng)布置的四種形式，本發(fā)明主要考慮到風載荷角度不同時，風振控制的效果是不同的，因此研究了風載荷角度與風振控制效果的關(guān)系，參見圖4，其中風振控制效果用塔頂共振振幅的減小量表示。由圖4可看出，當采用模型或模型時，風振控制效果隨風載荷角度的不同而不同，有時甚至毫無效果；而采用模型或模型時，風振控制效果顯著并十分穩(wěn)定，

17、考慮到安裝空間限制等實際工程要素，本例取模型。（3）最佳質(zhì)量比的確定圖5是風振控制效果與質(zhì)量比（即TMD質(zhì)量與塔體總質(zhì)量的比值）的關(guān)系圖。有限元分析結(jié)果表明風振控制效果隨質(zhì)量比的增大而提高，但質(zhì)量比增大到一定程度，風振控制的效果已經(jīng)不明顯。本例取質(zhì)量比1.5%，對應(yīng)TMD總質(zhì)量為1.049噸。（4）最佳頻率比的確定圖6是風振控制效果與頻率比（即TMD系統(tǒng)的頻率與主結(jié)構(gòu)一階固有頻率的比值）的關(guān)系圖。有限元分析結(jié)果表明隨頻率比的不同，風振控制效果也不同，當頻率比1.0附近時，控制效果最好。本例取頻率比0.99，對應(yīng)彈簧系統(tǒng)剛度系數(shù)為2.68N/mm。（5）最佳阻尼系數(shù)的確定圖7是風振控制效果與阻尼系數(shù)的關(guān)系圖。有限元分析結(jié)果表明風振控制效果隨阻尼系數(shù)的增大而提高，但阻尼系數(shù)增大到一定程度，控制效果反而隨阻尼系數(shù)的增大而降低。本例取阻尼系數(shù)為64Kg/mms。（6）結(jié)構(gòu)風誘導振動減振效果分析采用最佳TMD減振控制系統(tǒng)形式和最優(yōu)的系統(tǒng)參數(shù)后，利用有限元分析了精餾塔在風載荷作用下的振動響應(yīng)。計算結(jié)果表明，對風誘導振動的控制效果可達到64%，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計安全控制的目標。3. TMD控制裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計通