基于ANSYS的固有頻率的計(jì)算

./摘要在化工生產(chǎn)中,分餾塔承受筒體壓、自重、風(fēng)載荷和地震載荷的作用容易產(chǎn)生載荷振動(dòng)和誘導(dǎo)振動(dòng)。當(dāng)振動(dòng)頻率接近于塔的自振頻率時(shí),塔就會(huì)發(fā)生共振、可能導(dǎo)致設(shè)備的破壞。因此,如何減小塔設(shè)備受風(fēng)力作用而產(chǎn)生的誘導(dǎo)振動(dòng)造成嚴(yán)重的危害,提高塔設(shè)備的抗振能力都是需要在設(shè)計(jì)時(shí)予以考慮的問題。本論文的題目是"基于ANSYS的柴油分餾塔的固有頻率的計(jì)算"。本文以柴油分餾塔為研究對(duì)象,應(yīng)用ANSYS有限元軟件對(duì)設(shè)備進(jìn)行了固有頻率的計(jì)算,首先采用SHELL63單元建立分餾塔的三維實(shí)體模型,然后用自由分網(wǎng)的方法對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分,施加約束和載荷,最后應(yīng)用模態(tài)分析功能求解出柴油分餾塔的固有頻率和振型。然后利用集中質(zhì)量法假設(shè)把均布質(zhì)量作為一個(gè)與之相當(dāng)?shù)募匈|(zhì)量放置在塔的頂端,根據(jù)動(dòng)能平衡的原理以及虛梁法可以確定不等截面懸臂梁式柴油分餾塔自振周期。這一結(jié)果表明基于ANSYS的有限元法對(duì)柴油分餾塔自振周期的計(jì)算準(zhǔn)確性高,計(jì)算方便,為工程上其他復(fù)雜模型固有頻率的計(jì)算提供了方法依據(jù)。關(guān)鍵詞：ANSYS；柴油分餾塔；固有頻率；振型AbstractInchemicalproduction,fractionationtowerwerepronetovibrationandinducedvibrationloadsbeacauseofwithstandingthebodycylinderpressure,deadweight,windloadsandseismicloads.Whenthevibrationfrequencyclosetothetowernaturalfrequency,thetowerresonanceoccurs,whichmayresultinequipmentdamage.Therefore,howtoreducethedamageduetowind-inducedvibrationeffecttoimprovethetower'svibrationcapabilitiesarerequiredtobeconsideredinthedesign.Thethesisis"calculationsofdieseldistillationtowernaturalfrequencyonANSYS",andmainlystudyforthedieseldistillationcolumn.First,IapplySHELL63elementinfiniteelementsoftwareANSYStoestablishthree-dimensionalsolidmodelofdistillationtower,andthentomeshandimposeconstraintsandloading,modalanalysis,andfinallysolvethedieseldistillationtowernaturalfrequenciesandmodeshapes.Thenassumetheuniformqualityasanequivalentconcentratedmassplacedinthetower'stopbasedonLumpedmassmethod,anddeterminethenaturalcycleofdieselfractionatoraccordingtotheprincipleofkineticenergybalanceaswellasvirtualcantileverbeammethod.TheresultsshowthatieselfueldistillationcolumncalculationofthenaturalcyclebasedontheANSYSfiniteelementmethodisofhighaccuracy,easytocalculate,providindamethodofcalculatingthenaturalfrequencyfortheothercomplexmodels.Keywords：ANSYS；Dieselfractionatortower；Naturalfrequencyofvibration；Vibrationmodel目錄第1章緒論11.1本課題的研究背景及意義11.2ANSYS軟件主要功能11.3ANSYS軟件簡介21.3.1ANSYS的使用環(huán)境2有限元方法簡介31.4分餾塔的簡介4分餾塔的特點(diǎn)4分餾塔的工作過程41.4.3分餾塔分析計(jì)算的條件5第2章分餾塔實(shí)體模型的建立62.1實(shí)體造型簡介62.2ANSYS的坐標(biāo)系62.3建模的原則82.4建模的步驟8環(huán)境設(shè)置8初始化設(shè)計(jì)變量9定義單元類型9定義材料屬性：9定義實(shí)常數(shù)11創(chuàng)建塔的幾何模型112.5命令流分析過程14第3章有限元模型的建立173.1基礎(chǔ)知識(shí)17網(wǎng)格類型17選擇實(shí)體183.2劃分網(wǎng)格19第4章模態(tài)分析224.1模態(tài)分析224.2模態(tài)提取法224.3施加約束254.4施加載荷254.5求解284.6擴(kuò)展模態(tài)284.7模態(tài)分析結(jié)果294.8后處理29將數(shù)據(jù)結(jié)果讀入數(shù)據(jù)庫30圖像顯示結(jié)果數(shù)據(jù)30查看求解結(jié)果31第5章自振周期的理論計(jì)算335.1自振周期的影響及振型335.2自振周期的表達(dá)式34塔體分段34不等截面塔設(shè)備自振周期計(jì)算公式355.3自振周期的計(jì)算36第6章結(jié)論39參考文獻(xiàn)40致42附錄：外文翻譯43.緒論本課題的研究背景及意義露天安置的塔設(shè)備在風(fēng)力作用下,將產(chǎn)生兩個(gè)方向的振動(dòng)。一種是由于不恒定的風(fēng)力直接作用在塔體上,而產(chǎn)生的與風(fēng)向相同的順風(fēng)向振動(dòng)；另一種是由于風(fēng)力繞過塔的兩側(cè)時(shí)形成周期性出現(xiàn)相逸散的旋渦而產(chǎn)生的與風(fēng)力方向垂直的橫風(fēng)向振動(dòng)。前一種振動(dòng)與風(fēng)速的大小及其變化有關(guān)、稱為風(fēng)的載荷振動(dòng)、是常規(guī)計(jì)的主要容；后一種振動(dòng)是根據(jù)說體力學(xué)理論計(jì)算的風(fēng)的誘導(dǎo)振動(dòng)。塔設(shè)備在風(fēng)力作用下,當(dāng)振動(dòng)頻率接近于塔的自振頻率時(shí),塔就會(huì)發(fā)生共振、可能導(dǎo)致設(shè)備的破壞。因此,塔設(shè)備受風(fēng)力作用而產(chǎn)生的誘導(dǎo)振動(dòng)以及如何減小因振動(dòng)而產(chǎn)生的危害,提高塔設(shè)備的抗振能力都是需要在設(shè)計(jì)時(shí)予以考慮的問題。在歷史上,由于忽略風(fēng)對(duì)構(gòu)件的誘導(dǎo)振動(dòng)而發(fā)生過許多意外事故。最典型的事例是美國塔珂瑪大橋因風(fēng)誘發(fā)的振動(dòng)產(chǎn)生共振后而被摧毀；在委瑞拉也曾有一個(gè)大貯油罐；因共振而被損傷,至于工業(yè)上的煙囪、管道以及換熱器的管束因此而受到破壞或產(chǎn)生噪音的事例也時(shí)有所見。在考慮塔的振動(dòng)時(shí)應(yīng)力要求避免發(fā)生共振。近年來,隨著我國石油、化工、冶金工業(yè)的不斷發(fā)展,作為反應(yīng)容器的塔設(shè)備的也得到了廣泛的應(yīng)用和迅速的發(fā)展。隨著塔設(shè)備使用量的增加,誘發(fā)事故的可能性也在增加,因此塔設(shè)備的固有頻率便成為設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)人員特別關(guān)注的問題。本文主要討論風(fēng)的誘導(dǎo)振動(dòng)的產(chǎn)生與分析計(jì)算塔的自振周期,并使用有限元分析軟件ANSYS就柴油分餾塔進(jìn)行模態(tài)分析,求出塔的固有頻率。以便更好的探討塔設(shè)備的防振技術(shù)。ANSYS軟件主要功能ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元軟件,可廣泛的用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、生物醫(yī)學(xué)、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究。該軟件提供了不斷改進(jìn)的功能清單,具體包括：結(jié)構(gòu)高度非線性分析、電磁分析、計(jì)算流體力學(xué)分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化、接觸分析、自適應(yīng)網(wǎng)格劃分及利用ANSYS參數(shù)設(shè)計(jì)語言擴(kuò)展宏命令功能。它能與多數(shù)CAD軟件接口,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換,如Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor、I—DEAS、AutoCAD等,是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAD工具之一。ANSYS軟件簡介ANSYS軟件是由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS公司開發(fā)。軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具,用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型：分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析<可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析>、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析,可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用．具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示<可看到結(jié)構(gòu)部>等圖形方式顯示出來,也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。以ANSYS為代表的工程數(shù)值模擬軟件,是一個(gè)多用途的有限元法分析軟件,它從1971年的2.0版本與今天的12.0版本已有很大的不同,起初它僅提供結(jié)構(gòu)線性分析和熱分析,現(xiàn)在可用來求結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題的解答。它包含了前置處理、解題程序以及后置處理,將有限元分析、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合,已成為現(xiàn)代工程學(xué)問題必不可少的有力工具。ANSYS的使用環(huán)境1.ANSYS架構(gòu)及命令A(yù)NSYS構(gòu)架分為兩層,一是起始層〔BeginLevel,二是處理層〔ProcessorLevel。起始狀態(tài)可用來控制某些全局性的問題,如改工作文件名、清除數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)、復(fù)制二進(jìn)制文件等,用戶進(jìn)入ANSYS后即處于起始狀態(tài)。這兩個(gè)層的關(guān)系主要是使用命令輸入時(shí),要通過起始層進(jìn)入不同的處理器。處理器可視為解決問題步驟中的組合命令,它解決問題的基本流程敘述如下：〔1前置處理〔GeneralPreprocessor,PREP7①建立有限元模型所需輸入的資料如節(jié)點(diǎn)、坐標(biāo)資料、元素節(jié)點(diǎn)排列次序。②材料屬性。③元素切割的產(chǎn)生?！?求解處理〔SolutionProcessor,SOLU①負(fù)載條件。②邊界條件及求解?！?后置處理〔GeneralPostprocessor,POST1或TimeDomainPostprocessor,POST26。POST1用于靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析、屈曲分析及模態(tài)分析,將解題部分所得的解答如：變位、應(yīng)力、反力等資料,通過圖形接口以各種不同表示方式把等位移圖、等應(yīng)力圖等顯示出來。POST26僅用于動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)分析,用于與時(shí)間相關(guān)的時(shí)域處理。圖1-1處理器間的轉(zhuǎn)化2.文件管理ANSYS在分析過程中需要讀寫文件,文件格式為jobname.ext,其中jobname是設(shè)定的工作文件名,ext是由ANSYS定義的擴(kuò)展名,用于區(qū)分文件的用途和類型,默認(rèn)的工作文件名是file。ANSYS分析中有一些特殊的文件,其中主要的幾個(gè)是數(shù)據(jù)庫文件jobname.db、記錄文件jobname.log、輸出文件jobname.out、錯(cuò)誤文件jobname.err、結(jié)果文件jobname.rxx及圖形文件jobname.grph。有限元方法簡介1.有限元法的基本構(gòu)架目前在工程領(lǐng)域常用的數(shù)值模擬方法有：有限元法、邊界元法、離散單元法和有限差分法,就其廣泛性而言,主要還是有限單元法。它的基本思想是將問題的求解域劃分為一系列的單元,單元之間僅靠節(jié)點(diǎn)相連。單元部的待求量可由單元節(jié)點(diǎn)量通過選定的函數(shù)關(guān)系插值得到。由于單元形狀簡單,易于平衡關(guān)系和能量關(guān)系建立節(jié)點(diǎn)量的方程式,然后將各單元方程集組成總體代數(shù)方程組,計(jì)入邊界條件后可對(duì)方程求解。有限元的基本構(gòu)成：節(jié)點(diǎn)〔Node：就是考慮工程系統(tǒng)中的一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)位置,構(gòu)成有限元系統(tǒng)的基本對(duì)象。具有其物理意義的自由度,該自由度為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力后,系統(tǒng)的反應(yīng)。元素〔Element：元素是節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)相連而成,元素的組合由各節(jié)點(diǎn)相互連接。不同特性的工程統(tǒng),可選用不同種類的元素,ANSYS提供了一百多種元素,故使用是必須慎重選則元素型號(hào)。自由度〔DegreeOfFreedom：上面提到節(jié)點(diǎn)具有某種程度的自由度,以表示工程系統(tǒng)受到外力后的反應(yīng)結(jié)果。要知道節(jié)點(diǎn)的自由度數(shù),請(qǐng)查看ANSYS自帶的幫助文檔〔Help/ElementRefrence,那里有每種元素類型的詳盡介紹。有限元方法是用于求解工程中各類問題的數(shù)值方法。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度分析中的靜力、動(dòng)力、線性或者非線性問題,熱傳導(dǎo)中穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)或者熱應(yīng)力問題,以及流體力學(xué)和電磁學(xué)中的很多問題都可以用有限元方法解決。2.有限元方法的基本步驟：將實(shí)際求解圍離散化,即將求解域劃分成節(jié)點(diǎn)和單元。選擇合適的形函數(shù),即選擇一個(gè)用單元節(jié)點(diǎn)解描述整個(gè)單元解的連續(xù)函數(shù)。對(duì)每個(gè)單元建立單元?jiǎng)偠染仃?。按照一定?jié)點(diǎn)編碼順序,將各個(gè)單元?jiǎng)偠染仃嚡B加以構(gòu)造結(jié)構(gòu)整體剛度矩陣。寫出以節(jié)點(diǎn)自由度〔DOF為未知量的結(jié)構(gòu)整體剛度方程,并將邊界條件、初始條件應(yīng)用到方程中。求解方程組,以得到節(jié)點(diǎn)上的自由度值。分餾塔的簡介分餾塔的特點(diǎn)〔1該分餾塔結(jié)構(gòu)復(fù)雜,體積龐大,塔高,有變徑段,最大徑為,并且塔上開有人孔和各種物料進(jìn)出孔?！?承受載荷復(fù)雜。該分餾塔共承受筒體壓、自重、風(fēng)載荷和地震載荷的作用,載荷作用的形式比較復(fù)雜。分餾塔的結(jié)構(gòu)簡圖如圖所示。塔上開有人孔和各種物料進(jìn)出孔?？諝庖愿咚贇饬鲝牡撞看等牖旌弦骸膊裼?、輕烴中,與混合液發(fā)生反應(yīng)。反應(yīng)后的氣體在上面的出口排出,物料在底部的了料口排出。由于設(shè)計(jì)溫度與環(huán)境相差很大,為達(dá)到更好的保溫效果,分餾塔整體高有保溫層。分餾塔的工作過程在煉油生產(chǎn)中,無論是精餾還是吸收、解吸或萃取,其目的都是為了使混合液中不同餾程的組分得以分離。故這些過程都稱為分餾過程,所以在煉油廠中使用最多的也就是各種分餾塔,其結(jié)構(gòu)形式以板式塔居多。原油是由許多分子量不同的碳?xì)浠衔锝M成的混合物,各組分沸點(diǎn)不同,可用精餾的方法將其分為若干餾分,如汽油、煤油、柴油等。先將原油加熱至350℃左右,送入常壓塔中,使汽、煤、柴都蒸發(fā)出來成為油氣,余下的液體主要是重質(zhì)油。高溫油氣混合物上升經(jīng)過一層層塔盤,在每層塔盤上和上層塔盤上流下來的較低的液體相接觸,油氣被冷卻稍降一些,其中較重的組分就會(huì)被冷凝成液貨體從油氣中分離出來,同時(shí)塔盤上的液體被加熱稍增高一些。其中較輕的組分就會(huì)蒸發(fā)成氣體從液體中分離出去。這樣每經(jīng)過一層塔盤油氣中的較重組分減少一些,較輕組分增加一些,而液體中較重組分增加一些,較輕組分減少一些,油氣不斷上升,每經(jīng)一層塔盤都有這樣的變化。于是油氣越往上其輕組分越多,重組分越少,直至塔頂。油氣的成分就是汽油組分,出塔后冷凝冷卻便可得汽油,液體不斷下流,每經(jīng)一層,塔盤也都會(huì)有相反的變化,于是液體越往下其重組分越多,輕組分越少,液體來自塔頂回流,即將冷凝下來的汽油抽出一部分再打回塔頂?shù)乃P上,其不斷下流,不斷變重,到某一層塔盤時(shí)成為煤油組分,一部分抽出來經(jīng)冷卻得到煤油產(chǎn)品,其余的繼續(xù)下流到某一層塔盤上時(shí)成為柴油組分,一部分抽出經(jīng)冷卻后得到柴油產(chǎn)品,剩余的繼續(xù)下流至塔底流出稱為常壓渣油。分餾塔分析計(jì)算的條件文中的分餾塔主體部分結(jié)構(gòu)和尺寸大致如下：裙座：徑為2.2m,高度為3.5m,厚度為0.01m,材料為20R。封頭：均為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭,下封頭徑為2.2m,上封頭同徑為1m,厚度為0.01m,材料為20R。筒體：下筒體徑為2.2m、高度為23.02m,上筒體徑為1m、高度為4m,變徑段高度為0.6m,厚度為0.01m,材料為20R?！?分餾塔的設(shè)計(jì)條件該分餾塔的設(shè)計(jì)溫度為100,設(shè)計(jì)壓力為1.6Mpa,操作介質(zhì)是氣油、柴油,設(shè)備使用當(dāng)?shù)氐幕撅L(fēng)壓為400Mpa,地震裂度為7度。分餾塔實(shí)體模型的建立實(shí)體造型簡介建立實(shí)體模型的兩種途徑①利用ANSYS自帶的實(shí)體建模功能創(chuàng)建實(shí)體建模。②利用ANSYS與其他軟件接口導(dǎo)入其他二維或三維軟件所建立的實(shí)體模型。2．實(shí)體建模的三種方式<1>自底向上的實(shí)體建模由建立最低圖元對(duì)象的點(diǎn)到最高圖元對(duì)象的體,即先定義實(shí)體各頂點(diǎn)的關(guān)鍵點(diǎn),再通過關(guān)鍵點(diǎn)連成線,然后由線組合成面,最后由面組合成體。<2>自頂向下的實(shí)體建模

直接建立最高圖元對(duì)象,其對(duì)應(yīng)的較低圖元面、線和關(guān)鍵點(diǎn)同時(shí)被創(chuàng)建。<3>混合法自底向上和自頂向下的實(shí)體建模

可根據(jù)個(gè)人習(xí)慣采用混合法建模,但應(yīng)該考慮要獲得什么樣的有限元模型,即在網(wǎng)格劃分時(shí)采用自由網(wǎng)格劃分或映射網(wǎng)格劃分。自由網(wǎng)格劃分時(shí),實(shí)體模型的建立比較簡單,只要所有的面或體能接合成一體就可以：映射網(wǎng)格劃分時(shí),平面結(jié)構(gòu)一定要四邊形或三邊形的面相接而成。ANSYS的坐標(biāo)系A(chǔ)NSYS為用戶提供了以下幾種坐標(biāo)系,每種都有其特定的用途。全局坐標(biāo)系與局部坐標(biāo)系：用于定位幾何對(duì)象<如節(jié)點(diǎn)、關(guān)鍵點(diǎn)等>的空間位。顯示坐標(biāo)系：定義了列出或顯示幾何對(duì)象的系統(tǒng)。③節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系：定義每個(gè)節(jié)點(diǎn)的自由度方向和節(jié)點(diǎn)結(jié)果數(shù)據(jù)的方向。④單元坐標(biāo)系：確定材料特性主軸和單元結(jié)果數(shù)據(jù)的方向。1．全局坐標(biāo)系全局坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系是用來定位幾何體。在默認(rèn)狀態(tài)下,建模操作時(shí)使用的坐標(biāo)系是全局坐標(biāo)系即笛卡爾坐標(biāo)系?？傮w坐標(biāo)系是一個(gè)絕對(duì)的參考系。ANSYS提供了4種全局坐標(biāo)系：笛卡爾坐標(biāo)系、柱坐標(biāo)系、球坐標(biāo)系、Y柱坐標(biāo)系。4種全局坐標(biāo)系有相同的原點(diǎn),且遵循右手定則,它們的坐標(biāo)系識(shí)別號(hào)分別為：0是笛卡爾坐標(biāo)系<cartesian>,1是柱坐標(biāo)系<Cyliadrical>,2是球坐標(biāo)系<Spherical>,5是Y-柱坐標(biāo)系<Y-aylindrical>,如圖2-1所示。<CS,0>Cattesian<CS,1>Cylindrical<CS,2>Spherical<CS,5>Cylindrical圖2-1ANSYS的全局坐標(biāo)系A(chǔ)NSYS引用坐標(biāo)系x軸、Y軸、z軸代表不同的意義,笛卡爾坐標(biāo)系的X軸、Y軸、Z軸分別代表其原始意義；柱坐標(biāo)系的x軸、Y軸、z軸分別代表徑向R、軸向O和軸向Z；球坐標(biāo)系的X軸、Y軸、z軸分別代表R、O、P。局部坐標(biāo)系局部坐標(biāo)系是用戶為了方便建模及分析的需要自定義的坐標(biāo)系,可以和全局坐標(biāo)系有不同的原點(diǎn)、角度、方向。<1>建立局部坐標(biāo)系1>通過當(dāng)前激活的工作平面的原點(diǎn)為中心來建立局部坐標(biāo)系。①Command方式：CSWPLA,KCN,KCS,PARl,PAR2a．KCN：坐標(biāo)系編號(hào)。KCN是大于10的任何一個(gè)編號(hào)。b．KCS：局部坐標(biāo)系的屬性。KCS=0時(shí)為笛卡爾式坐標(biāo)系；KCS=1時(shí)為柱坐標(biāo)系；KCS=2時(shí)為球坐標(biāo)系；KCS=3時(shí)為環(huán)坐標(biāo)系；KCS=4時(shí)為工作平面坐標(biāo)系；KCS=5時(shí)為柱坐標(biāo)系。c．PAR1：應(yīng)用于橢圓、球或螺旋坐標(biāo)系。當(dāng)KCS=1或2時(shí),PAR1是橢圓長短半徑<Y/X>的比值,默認(rèn)為1<圓>：當(dāng)KCS=3時(shí),PAR1是環(huán)形的主半徑。d．PAR2：應(yīng)用于球坐標(biāo)系,當(dāng)KCS=2時(shí),PAR2是橢球Z軸半徑與x軸半徑的比值,默認(rèn)為1<圓>。②GUI方式：WorRPlane>LocalCoordinateSystems>CreateLocalCS>AtWPOrigin2>通過已定義的關(guān)鍵點(diǎn)來建立局部坐標(biāo)系①Command方式：CSKP,KCN,KCS,PORlG,PXAXS,PXYPL,PARl,PAR2a．KCN：坐標(biāo)系編號(hào)。KCN是大于10的任何一個(gè)編號(hào)。b．KCS：局部坐標(biāo)系的屬性。KCS=0時(shí)為笛卡爾式坐標(biāo)系；KCS=1時(shí)為柱坐標(biāo)系；KCS=2時(shí)為球坐標(biāo)系；KCS=3時(shí)為環(huán)坐標(biāo)系；KCS=4時(shí)為工作平面坐標(biāo)系；KCS=5時(shí)為柱坐標(biāo)系。c．PORlG：以該關(guān)鍵點(diǎn)為新建坐標(biāo)系原點(diǎn),若該值為P,則可進(jìn)行GUI選取關(guān)鍵點(diǎn)操作。d．pXAXS：定義x軸的方向,原點(diǎn)指向該點(diǎn)方向?yàn)閤軸正向。e．PXYPL：定義Y軸的方向,若該點(diǎn)在x軸的右側(cè),則Y軸在x軸的右側(cè),反之在左側(cè)。建模的原則本課題利用ANSYS分析軟件建立柴油分餾塔的實(shí)體模型,包括裙座部分,采用1：1的比例,能夠更加真實(shí)的模擬設(shè)備的結(jié)構(gòu)及工作狀態(tài)。建模過程中,由于一些局部的小孔對(duì)整體的影響不大,故忽略不計(jì),只建立裙座、上下筒體、及封頭的立體模型。文中采用由點(diǎn)連線,由線建面,再由面旋轉(zhuǎn)得到體的自下而上的建模方式。由于塔壁厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于塔的徑,可將問題適當(dāng)簡化。SHELL63單元具有彎曲能力和膜力,既能承受平面載荷,也能承受法向載荷,在每個(gè)節(jié)點(diǎn)處有6個(gè)自由度,單元也可有任何的空間定位。SHELL63單元具有剛度、撓度和應(yīng)力強(qiáng)化等能力在建立有限元模型時(shí),塔采用四節(jié)點(diǎn)的SHELL63單元,這樣模型在滿足精度要求的情況下將得到簡化。在建模時(shí)先建立塔的關(guān)鍵點(diǎn),連接關(guān)鍵點(diǎn)得到塔壁線,再通過旋轉(zhuǎn)生成塔的幾何模型,然后指定線的劃分份數(shù),將塔的幾何模型轉(zhuǎn)化為有限元模型；生成分餾塔的模型是通過先生成面單元,然后將面單元延伸成體單元。在有限元計(jì)算時(shí),將基礎(chǔ)視為剛體,將與基礎(chǔ)相連的裙支座單元的x、y、z三個(gè)自由度全部約束。建模的步驟環(huán)境設(shè)置1.啟動(dòng)ANSYS：以交互模式進(jìn)入ANSYS。設(shè)定工作路徑F：\ANSYS_Bishe,工作文件名取為TA進(jìn)入ANSYS界面。2.設(shè)置標(biāo)題：執(zhí)行UtilityMenu>ChangeTitle命令,彈出ChangeTitle對(duì)話框,輸入tower,單擊OK按鈕,關(guān)閉對(duì)話框。初始化設(shè)計(jì)變量執(zhí)行UtilityMenu>Parameters>ScalarParameters命令,彈出ScalarParameters對(duì)話框,輸入如表2.1所列的參數(shù)。表2.1參數(shù)表參數(shù)參數(shù)意義參數(shù)參數(shù)意義R1=1.1m下筒體半徑t=0.01m壁厚R2=0.5m上筒體半徑zhuih=0.6m錐段高度qunh=3裙座高度OMEGA=1.5m風(fēng)激勵(lì)角速度lowh=2下筒體高度feng1h=0.55m下封頭的長半徑uph=4上筒體高度Feng2h=0.25m上封頭的長半徑定義單元類型執(zhí)行MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete命令,彈出EelementType對(duì)話框；單擊Add按鈕,添加單元,彈出LibraryofElementType對(duì)話框。在左側(cè)列表中選擇StructuralShell項(xiàng),在右側(cè)列表中選擇Elastic4node63項(xiàng),如圖2-2所示。單擊OK按鈕,退至ElementType對(duì)話框。圖2-2單元類型設(shè)置對(duì)話框定義材料屬性：1.執(zhí)行MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels命令,彈出DefineMaterialModelBehavior對(duì)話框；如圖2-3所示,在右邊的可選材料模型MaterialModelsAvailable框中選擇Structural>Linear>Elastic>Isotropic。圖2-3定義材料屬性對(duì)話框2.雙擊Isotropic標(biāo)識(shí),彈出LinearIsotropicPropertiesforMaterialNumber1對(duì)話框,在EX文本框中輸入2e11,PRXY文本框中輸入0.28,單擊OK按鈕確定,關(guān)閉該對(duì)話框。如圖2-4所示。圖2-4定義材料的彈性模量和泊松比3.雙擊Density標(biāo)識(shí),彈出DensityfotMaterialNumber1對(duì)話框,在DENS文本框中輸入7.85E3,單擊OK按鈕確定,關(guān)閉該對(duì)話框。如圖2-5所示圖2-5定義材料密度定義實(shí)常數(shù)執(zhí)行MainMenu>Preprocessor>RealConstants>Add/Edit/Delete命令,彈出RealConstants對(duì)話框,單擊Add按鈕,選擇Type1,單擊OK按鈕,彈出RealConstantsSetNumber1,forSHELL63對(duì)話框,如圖2-6所示,在TK〔I位置輸入TK〔I=t圖2-6定義實(shí)常數(shù)創(chuàng)建塔的幾何模型1.打開關(guān)鍵點(diǎn)、線以及面顯示開關(guān)：執(zhí)行UtilityMenu>PlotCtrls>Numbering命令,打開PlotNumberingControls對(duì)話框,激活KP、LINE、AREA后面的顯示開關(guān)為On狀態(tài),單擊OK按鈕確定,如圖2-7所示。圖2-7PlotNumberingControls對(duì)話框2.生成塔壁關(guān)鍵點(diǎn)：執(zhí)行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>InActiveCS命令,設(shè)定NPT為1,X,Y,Z為"R1,0,0”圖2-8定義關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)話框3.同理,創(chuàng)建如表2-2所示的關(guān)鍵點(diǎn)表3.2關(guān)鍵點(diǎn)參數(shù)表關(guān)鍵點(diǎn)X坐標(biāo)Y坐標(biāo)Z坐標(biāo)關(guān)鍵點(diǎn)X坐標(biāo)Y坐標(biāo)Z坐標(biāo)11.1007031.12021.13.508-0.531.12031.126.520903.5040.527.12010-1.13.5050.531.1201102.9506031.370120004.生成塔壁線：執(zhí)行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>lines>InActiveCoord命令,彈出關(guān)鍵點(diǎn)選取框,選取1、2號(hào)關(guān)鍵點(diǎn),單擊Apply按鈕,生成直線1；同理,分別選取關(guān)鍵點(diǎn)2和3,3和4,4和5分別生成直線2、3、4單擊OK按鈕完成。5.生成塔頂線：執(zhí)行UtilityMenu>Wordplane>changeActiveCSto>GlobalCylindrical后,再執(zhí)行UtilityMenu>Wordplane>DisplayWorkingplane命令,激活以Y軸為旋轉(zhuǎn)軸的柱坐標(biāo)系,再執(zhí)行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Splines>SplinesthruKPs命令,選取關(guān)鍵點(diǎn)2和9,單擊Apply按鈕,單擊OK按鈕確定,如圖2-9所示。圖2-9分餾塔的平面模型6.旋轉(zhuǎn)生成分餾塔實(shí)體模型：執(zhí)行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Extrude>lines>AboutAxis命令,彈出選取框,輸入需要旋轉(zhuǎn)的線"1,2,3,4”,單擊Apply按鈕,彈出對(duì)話框,輸入旋轉(zhuǎn)軸關(guān)鍵點(diǎn)"12,6圖2-10分餾塔的三維模型命令流分析過程/FILNAM,ta!定義文件名/TITLE,Tower!定義分析的標(biāo)題FINISH!**********************環(huán)境設(shè)置***********************SET,R1,1.1!下筒體半徑*SET,R2,0.5!上筒體半徑*SET,qunh,3.5!裙座高度*SET,lowh,23.02!下筒體高度*SET,uph,4!上筒體高度*SET,t,0.01!壁厚*SET,zhuih,0.6!錐節(jié)高度*SET,OMEGA,1.5!風(fēng)激勵(lì)角速度*SET,feng1h,0.55!下封頭的長半徑*SET,feng2h,0.25!上封頭的長半徑!************************前處理************************/PREP7!****************定義單元類型、材料常數(shù)***************ET,1,SHELL63!定義單元類型MP,EX,1,2E11!設(shè)置彈性模量MP,PRXY,1,0.28!設(shè)置泊松比MP,DENS,1,7.85E3!設(shè)置密度R,1,t,t,t,t!設(shè)置材料實(shí)常數(shù)!***********************實(shí)體建模************************/PNUM,KP,1/PNUM,LINE,1/PNUM,AREA,1!*********************建立塔的關(guān)鍵點(diǎn)*********************K,1,R1,0,0K,2,R1,qunh,0K,3,R1,qunh+lowh,0K,4,R2,qunh+lowh+zhuih,0K,5,R2,qunh+lowh+zhuih+uph,0K,6,0,qunh+lowh+zhuih+uph+R2/4+t,0K,7,0,qunh+lowh+zhuih+uph,0K,8,-R2,qunh+lowh+zhuih+uph,0K,9,0,qunh,0K,10,-R1,qunh,0K,11,0,qunh-R1/4,0K,12,0,0,0!************************建立塔的線**********************L,1,2L,2,3L,3,4L,4,5L,6,12L,12,1K,12,0,0,0L,1,2L,2,3L,3,4L,4,5L,6,12L,12,1KWPAVE,7!平移工作面到點(diǎn)7CSWPLA,11,1,0.5,1!建立11號(hào)局部橢圓坐標(biāo)系L,5,6CSYS,0!回至笛卡爾坐標(biāo)系KWPAVE,9!平移工作面到點(diǎn)9CSWPLA,12,1,0.5,1!建立12號(hào)局部橢圓坐標(biāo)系L,2,11CSYS,0!回至笛卡爾坐標(biāo)系KWPAVE,12!平移工作面到點(diǎn)12!************************旋轉(zhuǎn)生成塔體**********************AROTAT,1,2,3,4,,,6,12,,AROTAT,7,,,,,,6,12,,AROTAT,8,,,,,,6,12,,有限元模型的建立基礎(chǔ)知識(shí)幾何實(shí)體模型并不參與有限元分析,所有施加在有限元邊界上的載荷或約束,必須最終傳遞到有限元模型上<節(jié)點(diǎn)和單元>進(jìn)行求解。因此,在完成實(shí)體建模之后,要進(jìn)行有限元分析,需對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分——將實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為能夠直接計(jì)算的網(wǎng)格,生成節(jié)點(diǎn)和單元。網(wǎng)格類型總的來說,ANSYS的網(wǎng)格劃分有兩種：自由網(wǎng)格劃分<Freemeshing>和映射網(wǎng)格劃分<Mappedmeshing>,如圖3-1所示。自由網(wǎng)格劃分主要用于劃分邊界形狀不規(guī)則的區(qū)域,它所生成的網(wǎng)格相互之間是呈不規(guī)則排列的。對(duì)于復(fù)雜形狀的邊界常常選擇自由網(wǎng)格劃分。自由網(wǎng)格對(duì)于單元形狀沒有限制,也沒有特別的應(yīng)用模式。缺點(diǎn)是分析精度往往不夠高。與自由網(wǎng)格劃分相比較,映射網(wǎng)格劃分對(duì)于單元形狀有限制,并要符合一定的網(wǎng)格模式。映射面網(wǎng)格只包含四邊形或三角形單元,映射體網(wǎng)格只包含六面體單元。映射網(wǎng)格的特點(diǎn)是具有規(guī)則的形狀,肆元明顯地成行排列。<a>自由網(wǎng)格<b>映射網(wǎng)格圖3-1自由網(wǎng)格和映射網(wǎng)格一般來說映射網(wǎng)格往往比自由網(wǎng)格劃分得到的結(jié)果要更加精確,而且在求解時(shí)對(duì)CPL和存的需求也相對(duì)要低些。如果用戶希望用映射網(wǎng)格劃分模型,創(chuàng)建模型的幾何結(jié)構(gòu)必須由一系列規(guī)則的體或面組成,這樣才能應(yīng)用于映射網(wǎng)格劃分。因此,如果確定選擇映射網(wǎng)格,需要從建立幾何模型開始就對(duì)模型進(jìn)行比較詳盡的規(guī)劃,以使生成的模型滿足生成映射網(wǎng)格的規(guī)則要求。ANSYS支持的單元形狀與網(wǎng)格類型見表3.1。表3.1ANSYS支持的單元形狀與網(wǎng)格單元形狀是否可以自由劃分是否可以映射劃分自由劃分映射劃分都行三角形是是是四邊形是是是四面體是否否六面體否是否選擇實(shí)體1．實(shí)體類型運(yùn)行選擇實(shí)體的操作命令GUI：UtilityMenu>Select>Entities,彈出實(shí)體選擇對(duì)話框。實(shí)體類型包括Nodes、Elements、Volumes、Areas、Lines、Keypoints。2．選擇準(zhǔn)則選擇準(zhǔn)則與實(shí)體類型有關(guān),不同的實(shí)體對(duì)應(yīng)不同的選擇準(zhǔn)則。節(jié)點(diǎn)選擇準(zhǔn)則：ByNum/Pick項(xiàng),通過實(shí)體號(hào)或通過拾取操作進(jìn)行選擇。Attachedto項(xiàng),通過實(shí)體的隸屬關(guān)系進(jìn)行選擇。ByLocafion項(xiàng),根據(jù)X,Y,Z坐標(biāo)位置選擇。ByAttributes項(xiàng),根據(jù)材料號(hào)、實(shí)常數(shù)號(hào)等進(jìn)行選擇。Exterior項(xiàng),選擇模型外邊界的實(shí)體。⑥ByResults項(xiàng),根據(jù)結(jié)果數(shù)據(jù)選擇。選擇方式

選擇實(shí)體的方式有七種。各項(xiàng)的含義為：FromFull項(xiàng),從整個(gè)實(shí)體集中選擇一個(gè)子集,陰影部分表示活動(dòng)子集。Reselect項(xiàng),從選中的子集中再選擇一個(gè)子集,逐步縮小子集的選擇圍。AlsoSelect項(xiàng),在當(dāng)前子集中添加另外一個(gè)不同的子集。Unselect項(xiàng),從當(dāng)前子集中去掉一部分,與Reselect的選擇剛好相反。SelectAll項(xiàng),恢復(fù)選擇整個(gè)全集。SelectNone項(xiàng),選擇空集。⑦Invert項(xiàng),選擇當(dāng)前子集的補(bǔ)集。劃分網(wǎng)格1.為劃分塔的幾何模型,使之成為能用于計(jì)算的有限元模型,先選定各條線然后設(shè)定各線的劃分份數(shù)：執(zhí)行UtilityMenu>Select>Entities命令,彈出SelectEntities對(duì)話框,依次設(shè)定選擇模式為：Lines、ByLocation、Ycoordinates、FromFull,在Min,Max處輸入0,單擊Apply按鈕,如圖3-2所示。同理,將FromFull改變?yōu)锳lsoSelect,在Min,Max處填qunh,單擊Apply按鈕,得到選取的第二條線；再分別在Min,Max處填qunh、qunh+lowh、qunh+lowh+uph,每次輸入后均需要單擊Apply按鈕。選擇完線之后單擊OK按鈕完成。圖3-2選擇線對(duì)話框2.設(shè)定上步選擇的線的劃分份數(shù)：執(zhí)行MainMenu>Preprocessor>Meshing>SizeCntrls>ManualSize>Lines>AllLines命令,彈出設(shè)置線的劃分份數(shù)對(duì)話框ElementSizesonAllSelectedLines,在NDIV中填入12,單擊OK按鈕。3.激活以y軸為旋轉(zhuǎn)軸的柱坐標(biāo)系：執(zhí)行UtilityMenu>Workplane>ChangeActiveCSto>GlobalCylindricalY命令。4.參照建立塔的有限元模型的步驟1,以坐標(biāo)選取直線：執(zhí)行UtilityMenu>Select>Entities命令,在彈出的對(duì)話框中設(shè)定選擇模式Lines、ByLocation、Xcoordinates、FromFull,在Min,Max處填入"qunh+0.001,qunhh+lowh+zhuih+uph+0.001”,單擊Apply按鈕,得到選取的第二條線；在Min,Max處填入qunhh+lowh+0.001,qunhh+lowh+zhuih+uph+0.001,5.設(shè)定Step4選擇的線的劃分份數(shù)：重復(fù)執(zhí)行Step2,設(shè)定NDIV為12。6.選擇線用于劃分網(wǎng)格：執(zhí)行UtilityMenu>Select>Entities命令,設(shè)定選擇模式Lines、ByLocation、Xcoordinates、FromFull,在Min,Max處填入"qunhh+lowh+0.001,qunhh+lowh+zhuih+uph+0.001”7.設(shè)定Step6選擇的線的劃分份數(shù)：重復(fù)執(zhí)行Step2,設(shè)定NDIV為12。8.選擇線用于劃分網(wǎng)格：執(zhí)行UtilityMenu>Select>Entities命令,設(shè)定選擇模式Lines、ByLocation、Xcoordinates、FromFull,在Min,Max處填入"qunhh+lowh+0.001,qunhh+lowh+zhuih+uph+0.001”9.設(shè)定Step6選擇的線的劃分份數(shù)：重復(fù)執(zhí)行Step2,設(shè)定NDIV為12。圖3-3設(shè)置分網(wǎng)尺寸10.全選擇：執(zhí)行UtilityMenu>Select>Everything命令,選中所有的元素。11.選擇要?jiǎng)澐值拿妫簣?zhí)行UtilityMenu>Select>Entities命令,彈出SelectEntities對(duì)話框中設(shè)定選擇模式Lines、ByLocation、Xcoordinates、FromFull,在Min,Max處填入"qunhh+lowh+0.001,qunhh+lowh+zhuih+uph+0.001”12.指定將要?jiǎng)澐謫卧膶傩裕簣?zhí)行MainMenu>Preprocessor>Meshing>MeshAttributes>DefaultAttribs命令,REAL指定為1,默認(rèn)情況下TYPE為1SHELL63,MAT為1。13.指定網(wǎng)格劃分方式：執(zhí)行MainMenu>Preprocessor>Meshing>MeshOpts命令,在MSHKEY對(duì)應(yīng)的Map前打勾,單擊OK按鈕,彈出選擇單元形狀對(duì)話框,2D選擇Quad,3D選擇HEX,單擊OK按鈕完成。14.劃分網(wǎng)格：執(zhí)行MainMenu>Preprocessor>Meshing>Mesh>Areas>確Mapped>3or4sided命令,彈出元素選取對(duì)話框,單擊PickAll按鈕,完成網(wǎng)格劃分。結(jié)果如圖3-4所示。圖3-4分網(wǎng)后的塔模型模態(tài)分析模態(tài)分析模態(tài)分析是用來確定結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的一種技術(shù),通過它可以確定結(jié)構(gòu)的自振頻率<也叫固有頻率>和振型,自振頻率和振型是結(jié)構(gòu)的重要?jiǎng)恿?shù)。進(jìn)行模態(tài)分析可以使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免共振或以特定頻率進(jìn)行振動(dòng),使工程師認(rèn)識(shí)到結(jié)構(gòu)對(duì)于不同類型的動(dòng)力載荷是如何響應(yīng)的,有助于在其他動(dòng)力分析中估算求解控制參數(shù)。模態(tài)分析也是進(jìn)一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析的基礎(chǔ)。其他的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析,例如瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、模態(tài)疊加法諧響應(yīng)分析和諧分析都涉及到模態(tài)分析。由于結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性決定于結(jié)構(gòu)對(duì)于動(dòng)力載荷的響應(yīng)情況,所以在準(zhǔn)備進(jìn)行其他動(dòng)力分析之前,首先要進(jìn)行模態(tài)分析。模態(tài)分析可定義為對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的解析分析和實(shí)驗(yàn)分析,其結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性用模態(tài)參數(shù)來表示。它是用于機(jī)械系統(tǒng)、土建結(jié)構(gòu)等工程系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析的現(xiàn)代化方法和手段,隨著模態(tài)分析專題研究圍的不斷擴(kuò)展,從系統(tǒng)識(shí)別到結(jié)構(gòu)靈敏度分析以及動(dòng)力修改等,模態(tài)分析技術(shù)已被廣義的理解為包括力學(xué)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的確定以及與其應(yīng)用有關(guān)的大部分領(lǐng)域。ANSYS可以對(duì)包含預(yù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析,也可以對(duì)循環(huán)對(duì)稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析,即建立循環(huán)對(duì)稱結(jié)構(gòu)的部分模型來對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析。但是ANSYS中的模態(tài)分析是一個(gè)線性算法,任何非線性因素,例如塑性材料屬性和大變形效應(yīng),即使定義了也會(huì)被ANSYS忽略。ANSYS提供了7種模態(tài)提取的方法：子空間方法、分塊Lanczos方法、PowerDynamic方法、縮減法、非對(duì)稱方法、阻尼法和QR阻尼法,其中阻尼法和QR阻尼法可以考慮結(jié)構(gòu)的阻尼效應(yīng)。模態(tài)提取法1．分塊Lanczos法分塊Lanczos法特征值求解器是默認(rèn)求解器,它采用Lanczos算法,是用一組向量來實(shí)現(xiàn)Lanczos遞歸算。這種方法和子空間法一樣精確,但速度更快。無論EQSLV命令指定過問種求解器進(jìn)行求解,分塊Lanczos法都將自動(dòng)采用稀疏矩陣方程求解器。計(jì)算某系統(tǒng)特征值譜所包含一定圍的固有頻率時(shí),采用分塊Lanczos方法提取模念特別有效計(jì)算時(shí),求解從頻率譜中間位置到高頻端圍的固有頻率時(shí)的求解收斂速度和求解低階頻率時(shí)幾乎—樣快。因此,當(dāng)采用偏移頻率<FREQB>來提取從FREQB<起始頻率>開始的n階模態(tài)時(shí),該法提取大于FREQB的n階模態(tài)和提取n階低頻模態(tài)的速度基本相同。2．子空間法子空間法使用于空間迭代技術(shù),它部使用廣義Jacobi迭代算法。由于該方法采用完整的矩和陣,因此精度很高,但是計(jì)算速度比縮減法慢。這種方法經(jīng)常用于對(duì)計(jì)算精度要求高,但無法選擇主自由度<DOF>的情形。做模態(tài)分析時(shí)如果模型包含大量的約束方程,使用于空間法提取模態(tài)時(shí)應(yīng)當(dāng)采用波前<front>求解器,不要采用JCG求解器；或者是使用分塊Lanczos法提取模態(tài)。當(dāng)分析中存在大量的約束方程時(shí),如果采用JCG求解器組集部單元?jiǎng)偠?致使計(jì)算要求有很大的存才能進(jìn)行下去。3．PowerDynamics法PowerDynamics法法部采用子空間迭代汁算、但采用PCG迭代求解器。這種方法明顯地比子空間法和分塊Lanczos法快。但是,如果模型中包含形狀較差的單元或病態(tài)矩陣時(shí)可能出現(xiàn)問題不收斂。該法特別適用于求解超大模型<大于100000個(gè)自由度>的起始少數(shù)階模態(tài)。譜分析不要使用該方法提取模態(tài)。PowerDynamics法不進(jìn)行Sturm序列檢查<不檢查模態(tài)遺漏問題>．這可能影響有多個(gè)重復(fù)頻率問題的解。此法總是采用集中質(zhì)量近似算法,即自動(dòng)采用集中質(zhì)量矩陣<LUMPM,ON>。注意：如果用PowerDynamics法求解含剛體運(yùn)動(dòng)的模型的模態(tài),則一定要用RIGID命令或選擇等效的GUI途徑。4縮減法縮減法采用HBI算法<Householder二分—逆迭代>來計(jì)算特征值和特征向量。由于該方法采用一個(gè)較小的自由度子集即主自由度<DOF>來計(jì)算,因此計(jì)算速度更快。主自由度<DOF>導(dǎo)致計(jì)算過程中會(huì)形成精確的[K]矩陣和近似的[M]矩陣<通常會(huì)有一些質(zhì)量損失>因此,計(jì)算結(jié)果的精度將取決于質(zhì)量矩陣[M]的近似程度,近似程度又取決于主自由度的數(shù)目和位置。5．非對(duì)稱法非對(duì)稱法也采用完整的和矩陣,適用于剛度利質(zhì)量矩陣為非對(duì)稱的問題<例如聲學(xué)中流體一結(jié)構(gòu)耦合問題>。此法采用Lanczos算法,如果系統(tǒng)是非保守的<例如軸安裝在軸承上>,這種算法將解得復(fù)數(shù)特征值和特征向量。特征他的實(shí)部表示固有頻率,虛部是系統(tǒng)穩(wěn)定性的量度——負(fù)值表示系統(tǒng)是穩(wěn)定的,而正值表示系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。該方法不進(jìn)行Strum序列檢查,因此有可能遺漏一些高頻端模態(tài)。常用于聲學(xué)<與結(jié)構(gòu)耦合>及其他非對(duì)稱剛度和質(zhì)量矩陣的應(yīng)用場合。6．阻尼法阻尼法用于阻尼不能被忽略的問題,如轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)研究。該法使用完整矩陣<[K]、[M]及阻尼陣[C]>。阻尼法采用Lanczos算法計(jì)算得到復(fù)數(shù)特征值和特征向量。此法個(gè)進(jìn)行Strrm序列檢查。因此,有可能遺漏提取頻率的一些高頻段模態(tài)。7．QR阻尼法QR阻尼法同時(shí)具有分塊Lanczos法與復(fù)Hessenberg法的優(yōu)點(diǎn),最關(guān)鍵的思想是,以線件合并無阻尼系統(tǒng)少量數(shù)目的特征向量近似表示前幾階復(fù)阻尼持征值。采用實(shí)特征值求解<分塊Lanczos法>無阻尼振型之后,運(yùn)動(dòng)方程將轉(zhuǎn)化到模態(tài)坐標(biāo)系。然后,采用QR阻尼法,該方法能夠很好地求解大阻尼系統(tǒng)模態(tài)解,阻尼可以是任意阻尼類型,即無論是比例阻尼或非比例阻尼。由于該方法的算精度取決于提取的模態(tài)數(shù)目,所以建議提取足夠多的基頰模態(tài)、特別是阻尼較大的系統(tǒng)更應(yīng)當(dāng)如此,這樣才就保證得到好的計(jì)算結(jié)果。該方法不建議用于提取臨界阻尼或過阻尼系統(tǒng)的模態(tài)。該方法輸出實(shí)部和虛部特征值<頻率>,但僅僅輸出實(shí)特征向量<模態(tài)振型>。表4—1模態(tài)提取方法模態(tài)提取法適用圍分塊Lanczos法默認(rèn)提取方法,用于提取大模型的多階模態(tài)<40階以上>建議在模型中包含形狀較差的實(shí)體和殼單元時(shí)采用此法最適合于由殼或殼與實(shí)體組成的模型速度快,但要求比子空間法存多50％子空間法用于提取大模型的少數(shù)階模態(tài)<40階以下>適合于較好的實(shí)體及殼單元組成的模型可用存有限時(shí)該法運(yùn)行良好穩(wěn)定但較慢,需要大量硬盤空間對(duì)約束方程、剛體模態(tài)有困難PowerDynamics法用于提取大模型的少數(shù)階模態(tài)<20階以下>適合于100K以上自由度模型的特征值快速求解對(duì)于網(wǎng)格較粗的模型只能得到頻率近似值復(fù)頻情況時(shí)可能遺漏模態(tài)模態(tài)分析不能用于后續(xù)的譜分析和PSD分析縮減法用于提取小到中等模型〔小于10K自由度的所有模態(tài)選取合適主自由度時(shí)可獲取大模型的少數(shù)階〔40階以下此時(shí)頻率計(jì)算的精度取決于主自由度的選取速度快施加約束1.選擇要施加約束的結(jié)點(diǎn)：執(zhí)行UtilityMenu>Select>Entities命令,彈出SelectEntities對(duì)話框,設(shè)定選擇模式Lines、ByLocation、Xcoordinates、FromFull,在Min,Max處填入"outlet_h+low_h+0.001,outlet_h+low_h+up_h+0.001”2.施加約束：執(zhí)行MainMenu>Preprocessor>Loads>DefineLoads>Applly>論Structural>Displacement>OnNodes命令,單擊PickAll按鈕,彈出ApplyU,ROTonNodes對(duì)話框,選中UX、UY、UZ,單擊OK按鈕確定,完成施加約束,如圖4-1所示。圖4-1施加約束3.全選擇：執(zhí)行UtilityMenu>Select>Everything命令,選中所有的元素。4.顯示并保存有限元模型：執(zhí)行UtilityMenu>Plot>Elements命令,顯示單元；執(zhí)行UtilityMenu>PlotCtrls>PanZoomRotate命令,彈出Pan-Zoom-Rotate對(duì)話框,單擊Iso,再單擊Close按鈕。經(jīng)過以上操作后完成了模型的建立,為方便以后的使用,需要保存有限元計(jì)算模型,執(zhí)行UtilityMenu>File>Saveas命令,取名為model.db。施加載荷1.設(shè)置分析類型：執(zhí)行MainMenu>Solution>AnalysisType>NewAnalysis命令,彈出NewAnalysis對(duì)話框,選中Modal,單擊OK按鈕,如圖4-2所示。圖4-2指定分析類型2.設(shè)置模態(tài)分析選項(xiàng)：執(zhí)行MainMenu>Solution>AnalysisType>AnalysisOptions命令,彈出模態(tài)分析選項(xiàng)設(shè)置框,選擇Subspace方法,No.ofmodes設(shè)為10,NMODE設(shè)為10,Elcalc選擇Yes,LUMPM選擇Yes,然后單擊OK按鈕,如圖4-3所示；單擊OK按鈕之后出現(xiàn)SubspaceModalAnalysis對(duì)話框,在FREQE處輸入10,單擊OK按鈕完成圖4-3模態(tài)分析的設(shè)置3.設(shè)置重力加速度：執(zhí)行MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Inertia>Gravity>GlobaL命令,設(shè)定ACELX、ACELY,ACELZ分別為0、9.8、0,單擊OK按鈕完成,如圖4-4所示。圖4-4設(shè)置加速度對(duì)話框求解1.執(zhí)行UtilityMenu>Select>Everything命令,選中所有的元素。2.執(zhí)行MainMenu>Solution>Solve>CureentLS命令,開始計(jì)算；彈出Solutionisdone!對(duì)話框時(shí),求解結(jié)束。圖4-5求解完成提示對(duì)話框擴(kuò)展模態(tài)執(zhí)行MainMenu>Solution>LoadStepOpts>Expansion>ExpandModes命令。圖4-6擴(kuò)展模態(tài)對(duì)話框模態(tài)分析結(jié)果單擊菜單Main>GeneralPostproc>ReadResults>ResultsSummary圖4-7自振周期求解表后處理對(duì)模型進(jìn)行有限元分析后,通常需要對(duì)求解結(jié)果進(jìn)行查看、分析和操作。檢查并分析求解的結(jié)果的相關(guān)操作稱為后處理。用ANSY$軟件處理有限元問題時(shí),建立有限元模型并求解后,并不能直觀地顯示求解結(jié)果,必須用后處理器才能顯示和輸出結(jié)果。檢查分析結(jié)果可使用兩個(gè)后處理器：通用后處理器POSTl和時(shí)間歷程后處理器POST26。輸出形式可以有圖形顯示和數(shù)據(jù)列表兩種。一、通用后處理器POST1

這個(gè)模塊用來查看整個(gè)模型或者部分選定模型在某一個(gè)時(shí)刻<或頻率>的結(jié)果。對(duì)前面的分析結(jié)果能以圖形、文本形式或者動(dòng)畫顯示和輸出,如各種應(yīng)力場、應(yīng)變場等的等值線圖形顯示、變形形狀顯示以及檢查和解釋分析的結(jié)果列表。另外還提供了很多其他功能,如誤差估計(jì)、載荷工況組合、結(jié)果數(shù)據(jù)計(jì)算和路徑操作等。進(jìn)入通用后處理器的路徑為GUI：MainMenu>GeneralPostproc。將數(shù)據(jù)結(jié)果讀入數(shù)據(jù)庫要想查看數(shù)據(jù),首先要把計(jì)算結(jié)果讀入到數(shù)據(jù)庫中。這樣,數(shù)據(jù)庫中首先要有模型數(shù)據(jù)<節(jié)點(diǎn)和單元等>。若數(shù)據(jù)庫中沒有數(shù)據(jù),需要用戶單擊工具欄上的"KESUMDB"按鈕<或輸XRESUME命令,或GUI菜單路徑：UtilityMenu>File>ResumeJobname．db>讀取數(shù)據(jù)文件Jobname.db．?dāng)?shù)據(jù)庫包含的模型數(shù)據(jù)應(yīng)與計(jì)算模型相同,否則可能會(huì)無法進(jìn)行后處理。默認(rèn)情況下,ANSYS會(huì)在當(dāng)前工作目錄下尋找以當(dāng)前工作文件命名的結(jié)果文件,若從其他結(jié)果文件中讀入結(jié)果數(shù)據(jù),可通過如下步驟選定結(jié)果文件。運(yùn)行MainMenu>GeneralPostproc>Data&FileOpts命令,彈出DataandFileOptions<數(shù)據(jù)和文件選項(xiàng)>對(duì)話框。在此對(duì)話框中選擇后處理中將要顯示或列表的數(shù)據(jù),如節(jié)點(diǎn)/單元應(yīng)力、應(yīng)變。此外,還要選擇包含此結(jié)果的數(shù)據(jù)文件,對(duì)于結(jié)構(gòu)分析模型,選擇*rst文件,單擊OK按鈕則所選擇的文件讀入到數(shù)據(jù)庫。對(duì)話框中各參數(shù)的意義如下。<1>Datatoberead項(xiàng),選擇要分析的結(jié)果。一般采用默認(rèn)值A(chǔ)llitems或Basicitems。<2>Resultsfiletoberead項(xiàng),在文本框中輸入將要讀入的結(jié)果文件名,或單擊文本框右側(cè)的[…]按鈕選擇將要讀入的結(jié)果文件。<3>一旦模型數(shù)據(jù)已經(jīng)存在于數(shù)據(jù)庫中,執(zhí)行GUI：MainMenu>GeneralPostproc>ReadResults命令,可將結(jié)果文件讀入數(shù)據(jù)庫。圖像顯示結(jié)果數(shù)據(jù)POSTl具有強(qiáng)大的圖形顯示能力,所需結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫后,可以將讀取的結(jié)果數(shù)據(jù)通過不同的形式用圖形直觀地顯示出來。<1>等值線顯示等值線顯示表現(xiàn)了結(jié)果項(xiàng)<如應(yīng)力、變形等>在模型上的變化,它用不同的顏色表示結(jié)果的大小,具有相同數(shù)值的區(qū)域用相向的顏色表示。因此通過等值線顯示,可以非常直觀地得到模型某結(jié)果項(xiàng)的分布情況。<2>變形后的形狀顯示在結(jié)構(gòu)分析中可用它觀察在施加載荷后的結(jié)構(gòu)變形情況,顯示變形的方式有三種選項(xiàng)：①DefShapeonly項(xiàng),僅顯示變形后的形狀。②Def+undeformed項(xiàng),顯示變形前后的形狀。③Def+underedge項(xiàng),顯示變形后的形狀及未變形的邊界。<3>矢量顯示矢量顯示可用箭頭顯示模型牛某個(gè)矢量大小和方向的變化。結(jié)構(gòu)分析中的位移、轉(zhuǎn)動(dòng)、主應(yīng)力等都是矢量。<4>路徑顯示路徑圖是顯示某個(gè)變量<例如位移、應(yīng)力、溫度等>沿模型上指定路徑的變化圖。沿路徑還可以進(jìn)行各種數(shù)學(xué)運(yùn)算,得到一些非常有用的計(jì)算結(jié)果。但是僅能在包含實(shí)體單元<二維或三維>或板殼單元的模型中定義路徑,對(duì)僅包含一維單元的模型,路徑功能不可用。以圖形方式觀察結(jié)果沿路徑的變化或者沿路徑進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算需要遵從以下步驟：①定義路徑屬性。②定義路徑點(diǎn)。③沿路徑插值<映射>結(jié)果數(shù)據(jù)。④顯示結(jié)果。一旦把結(jié)果影射到路徑上,可用圖像顯示或列表顯示方式觀察結(jié)果沿定義的路徑變化情況,也可以執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算。查看求解結(jié)果1.選擇分析對(duì)象,首先顯示攪拌軸的第一階模態(tài)。MainMenu→GeneralPostproc→ReadResults→FirstSet2.對(duì)彩色云圖顯示進(jìn)行設(shè)置。MainMenu→GeneralPostproc→PlotResults→ContourPlot→NodalSolu系統(tǒng)彈出彩色云圖顯示對(duì)話框,如圖4-8所示。圖4-8塔的模態(tài)彩色云圖3.要查看高一階的振型,單擊菜單Main>GeneralPostproc>ReadResults>NextSet,這將讀入高一階振型的數(shù)據(jù)。然后單擊菜單Main>GeneralPostproc>ReadResults>FirstSet>DeformedShape在彈出的對(duì)話框中選擇Def+undefedge選項(xiàng),得到如圖所示的塔振型如圖4-9所示。圖4-9振型圖自振周期的理論計(jì)算自振周期的影響及振型在分析直立塔設(shè)備的振動(dòng)時(shí),一般情況下,為了簡化起見,不考慮平臺(tái)、外部管線及地基的影響。而只是將塔設(shè)備看成為底端固定、頂端自由、質(zhì)量沿高度連續(xù)分布的懸臂梁。當(dāng)靜載荷作用于構(gòu)件時(shí),其質(zhì)量不產(chǎn)生慣性力,或者說此時(shí)的慣性力與該靜載荷相比是極其微小時(shí)。因此,靜載荷不會(huì)使構(gòu)件產(chǎn)生振動(dòng)。然而,動(dòng)載荷的作用則不然,它會(huì)使構(gòu)件的質(zhì)量產(chǎn)生較大的慣性力,從而使結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)。在動(dòng)載荷作用下,構(gòu)件的力和變形,不公與載荷的大小有關(guān),還與載荷的作用方式、載荷的變化規(guī)律,以及構(gòu)件的動(dòng)力特性等有關(guān)。有時(shí)動(dòng)載荷并不大,卻會(huì)使構(gòu)件產(chǎn)生很大的力及變形；反之,有時(shí)很大的動(dòng)載荷,所產(chǎn)生的力及變形卻可能很小。事實(shí)上,我們經(jīng)常所見的載荷幾乎都是動(dòng)載荷。只不過我人將某些動(dòng)載荷當(dāng)作靜載荷來處理。當(dāng)動(dòng)載荷的變化很慢或其變化的周期大于構(gòu)件自振周期的五六倍時(shí),按照靜載荷計(jì)算不會(huì)產(chǎn)生多大誤差,而且計(jì)算可大為簡化。由于解動(dòng)載荷問題要比解靜載荷問題復(fù)雜和困難得多,人們常將動(dòng)載荷的最大值當(dāng)作靜載荷,用靜力學(xué)的方法算出構(gòu)件的位移〔靜力變形及力〔靜力力。若能知道動(dòng)載荷作用下構(gòu)件的最大變形〔動(dòng)力變形或最大力〔動(dòng)力力、與靜力變形或靜力之比〔稱為動(dòng)力系數(shù),就可使動(dòng)載荷問題的求解變得容易了。在塔設(shè)備的風(fēng)載荷和地震的計(jì)算中,都用這種方法。在動(dòng)載荷作用下,構(gòu)件各截面的變形及力的最大值〔或動(dòng)力系數(shù)值,與構(gòu)件的自由振動(dòng)周期〔或頻率及振動(dòng)在形式有密切關(guān)系。因此,在計(jì)算塔設(shè)備的風(fēng)載荷和地震載荷之前,必須求出其自振周期。從結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)知,塔設(shè)備是一個(gè)具有無限個(gè)自由度的體系,因此它具有無限多個(gè)自振頻率〔或周期,其中最低的自振頻率稱為第一頻率或稱基本頻率,然后按從低到高的順序分別稱為第二自然頻率,第三自然頻率,……或統(tǒng)稱為高頻率。對(duì)應(yīng)于任一自然頻率,體系中各質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)位移之間存在著確定的比例關(guān)系,形成一定的曲線形式,稱為振型。體系有幾個(gè)自由度,就有幾個(gè)頻率和振型。相應(yīng)于頻率為,,,……的振型。依次稱為第一振型〔或基本振型、第二振型、第三振型、……塔設(shè)備的振型如圖5-1所示,第一振型為1/4波,第二振型為3/4波、第三振型為5/4波,第n振型為波。由基本頻率求得的周期為基本周期,由高頻率求得的周期分別為第二振型周期,第三振型周期,第n振型周期,或統(tǒng)稱為高振型周期。<a>第一振型<b>第二振型<c>第三振型圖5-1塔設(shè)備的振型一般來說,體系中任一質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng),都是很復(fù)雜的合成振動(dòng).因此,要計(jì)算塔設(shè)備各振型的頻率<或周期>并非易事。為此,計(jì)算塔設(shè)備的自振周期時(shí),往往要作出許多假設(shè),以便用簡單產(chǎn)方法取得足夠精確的計(jì)算結(jié)果。自振周期的表達(dá)式塔器自振周期的計(jì)算方法很多,如解析法、折算質(zhì)量法、廣義坐標(biāo)法及有限元法等?！朵撝扑饺萜鳌分?對(duì)等直徑等壁厚的塔器采用解析法,對(duì)不等直徑或不等壁厚的塔器采用質(zhì)量法近似求解。塔體分段用矩陣傳遞法求塔體自振周期時(shí),要求將塔器由塔頂至底分為幾段等直梁。分段的原則主要是保證每段的質(zhì)量和剛度是連續(xù)的。因此,裙座〔包括高于3000mm且直徑大于3000mm的鋼筋混凝土框架基礎(chǔ)、同材質(zhì)同溫度等直徑等壁厚的圓筒體、過渡段、〔包括錐形過渡段、半球形過渡段、重疊過渡段、設(shè)備法蘭及中間封頭等要獨(dú)立分段。裙座筒體段計(jì)入裙座段,偏心載荷計(jì)入其同標(biāo)高的殼體段。不等直徑或不等壁厚塔器不是連續(xù)彈性體,其各段的截面抗彎剛度不同。因此,不能象等截面等壁厚塔器那樣直接利用式求其固有周期和主振型。但它的質(zhì)量和風(fēng)度是分段連續(xù)的,如圖5-2所示。<a>實(shí)梁及實(shí)載荷 <b>虛梁及載荷圖5-2虛梁載荷圖不等截面塔設(shè)備自振周期計(jì)算公式〔1第一振型周期由《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》得不等直徑的塔設(shè)備自振周期的計(jì)算公式為〔5.1式中—塔設(shè)備第段集中質(zhì)量距地面的高度,—第段塔節(jié)的質(zhì)量—第段塔節(jié)材料在設(shè)計(jì)溫度下的彈性模量,20R材質(zhì)彈性模量Pa—第段塔節(jié)底部截面至塔頂?shù)木嚯x,—塔設(shè)備高度—第段塔節(jié)形心軸的慣性矩,對(duì)于圓柱形塔節(jié),；對(duì)于圓錐形塔節(jié),—圓錐形塔節(jié)大端直徑—圓錐形塔節(jié)小端直徑—第段塔節(jié)的有效厚度〔2第二振型周期根據(jù)振動(dòng)理論計(jì)算,對(duì)于質(zhì)量均勻分布的等截面懸臂梁,其第二振型的自振周期為：〔5.2由此得第一振型周期與第二振型自振周期之比為：即此比值對(duì)不均布質(zhì)量和不等截面的懸臂梁來說,變動(dòng)不大,故一般采用式從第一振型的自振周期來計(jì)算第二振型的自振周期,至于更高振型的自振周期在通常計(jì)算中很少遇到。自振周期的計(jì)算〔1封頭質(zhì)量查得DN1000mm,壁厚10mm的橢圓形封頭的質(zhì)量為94.24kg,DN22000mm,壁厚12mm的橢圓形封頭的質(zhì)量為424.21kg。〔2筒體質(zhì)量上筒體總高度=4m上筒體質(zhì)量kg下筒體總高度=23.02m下筒體質(zhì)量kg〔3錐節(jié)質(zhì)量錐節(jié)高度=0.6m錐節(jié)質(zhì)量kg〔4裙座質(zhì)量裙座高度=3.5m裙座質(zhì)量kg〔5第一塔節(jié)的質(zhì)量：=+=1090kg第二塔節(jié)的質(zhì)量：=238kg第三塔節(jié)的質(zhì)量：=12546kg第四塔節(jié)的質(zhì)量：=+=2332kg所以,自振周期的計(jì)算表如下：表5.1自振周期計(jì)算表=1090=238=12546=2332=4=0.6=23.02=3.5=29.12=26.82=15.01=1.75=0.004=0.012=0.042=0.418====將上表數(shù)據(jù)代入式〔5.1得：s結(jié)論本次研究利用ANSYS有限元軟件,經(jīng)過建模、加載、進(jìn)行模態(tài)分析求解等過程,計(jì)算出了柴油分餾塔的固有頻率。然后用理論計(jì)算方法再次對(duì)柴油分餾塔的自振周期進(jìn)行了計(jì)算,得出了較為接近實(shí)際值的計(jì)算結(jié)果。其中,應(yīng)用ANSYS有限元法求得的前5階自振周期分別為0.9755s,1.0028s,1.0129s,2.5286s,2.5492s應(yīng)用理論計(jì)算法求得的柴油分餾塔一階自振周期為0.948s。以一階臨界轉(zhuǎn)速為主要考察對(duì)象,ANSYS有限元軟件計(jì)算法相對(duì)于理論公式計(jì)算法的偏差為2.8%,二者十分接近。以上結(jié)果表明,應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件來計(jì)算柴油分餾塔的固有頻率準(zhǔn)確可靠,計(jì)算結(jié)果接近于實(shí)際值,為工程實(shí)踐提供了有效的方法依據(jù)。對(duì)于工程中不宜采用解析法計(jì)算,也不宜采用實(shí)驗(yàn)法測量的化工設(shè)備,應(yīng)用ANSYS有限元軟件能夠有效地求解其自振周期,而且這種方法容易實(shí)現(xiàn),結(jié)果較為準(zhǔn)確,值得推廣。參考文獻(xiàn)[1]商躍進(jìn)主編．有限元原理與ANSYS應(yīng)用指南．清華大學(xué),2005．[2]胡仁喜,王慶五,閆石．ANSYS8.2機(jī)械設(shè)計(jì)高級(jí)應(yīng)用實(shí)例．機(jī)械工業(yè),2005．[3]倪棟,段進(jìn),徐久成．通用有限元分析ANSYS7.0實(shí)例精講．電子工業(yè),2003．[4]健,根栓.基于ANSYS的懸掛式塔的模態(tài)分析.石油化工大學(xué)學(xué)報(bào).[5]詹有福.化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書.

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