CN103150460A

CN103150460A - 一种间接空冷塔的结构分析系统及方法

Info

Publication number: CN103150460A
Application number: CN2013101137153A
Authority: CN
Inventors: 彭伟; 温志鹏; 谷小兵
Original assignee: Datang Beijing Energy Management Co Ltd
Current assignee: Datang Beijing Energy Management Co Ltd
Priority date: 2013-04-03
Filing date: 2013-04-03
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2033-04-03
Also published as: CN103150460B

Abstract

本发明涉及电站间接空冷系统，提出一种基于APDL的间接空冷塔整体结构分析系统及方法。其步骤如下：1)根据间冷塔几何外形尺寸，定义间冷塔几何参数，建立参数化的间冷塔几何模型；2)定义间冷塔单元类型、实常数和材料常数；3)定义单元网格尺寸，执行自适应网格划分，建立间冷塔有限元模型；4)对间冷塔在五种荷载工况下(恒荷载、活荷载、风荷载、温度荷载和地震荷载)分别施加参数化荷载并执行计算分析；5)执行荷载工况组合，提取计算结果。利用该系统可实现间冷塔从建模到计算的全过程控制。同时，可以通过调整各参数的取值，对间冷塔进行最优化设计。避免大量重复的工作，可以极大的提高结构分析和设计的效率。

Description

一种间接空冷塔的结构分析系统及方法

技术领域

本发明属于发电技术领域，涉及电站间接空冷系统，提出一种基于APDL的间接空冷塔结构有限元分析系统及方法，可应用于实际工程中的间冷塔结构设计与结构优化。

背景技术

在我国，电厂空冷系统广泛应用于富煤缺水的北方。近些年，由于对环境保护和经济合理性要求的不断加强，空冷系统的应用范围日益扩大。

随着空冷大机组的不断出现，空冷塔的高度已远大于《火力发电厂水工设计规范》中常规冷却塔的高度限制和《工业循环水冷却塔设计规范》塔高165m的限制。超大型间接空冷塔是指高度超过165m的双曲冷却塔，其主要控制荷载有自重荷载、风荷载、温度荷载和地震荷载。

冷却塔的结构分析计算国内电力设计院一般采用专门电算工具进行，其交互能力差，而且较少采用其它工具进行对比计算。

超大规模冷却塔结构设计超出了我国现行规范规程所规定的范围或以往计算手段的限制范围。随着有限元应用分析的强大和普及，采用基于有限元的参数化结构计算分析成为可能。

APDL作为ANSYS参数化设计的二次开发工具，特别适用于复杂模型及模型需要多次修改重复分析的问题。

发明内容

对于目前所存在的不足，采用APDL建立间接空冷塔结构参数化模型，施加参数化荷载和约束。同时，为提高有限元分析的效率，减少前后处理的工作量，开发具有人机交互的间冷塔结构分析系统，并设计相应后处理流程，对计算结果按照需求进行处理计算、输出。在此基础上，依据现行规范，进行塔筒及人字柱的配筋计算；同时，将计算结果和已有分析程序的结果进行对比，验证新程序分析结果的合理性。考虑到间冷塔的几何形状和荷载所具有的特殊规律性，本发明提供一种基于APDL的间接空冷塔整体结构计算与分析的系统及方法。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的：

一种基于APDL的间接空冷塔的结构分析系统，包括输入模块、预置模块、执行处理模块、输出模块、后处理模块；其特征在于，包括：输入模块，用于提供人机交互接口，使用者根据操作需要输入命令；

预置模块，用于预定义分析过程所需的多种参数变量，并设置与其对应的参数数值，其中包括几何参数设定模块、材料属性设定模块、荷载参数设定模块、工况组合设定模块、内力参数设定模块；几何参数设定模块，根据间冷塔几何外形尺寸，确定需进行有限元分析的结构部件，设置定义与间冷塔结构部件对应的几何参数列表，预设其中的几何参数数值；材料属性设定模块用于定义分析过程所用材料参数、设置单元类型和材料常数，以及对间冷塔各结构部件定义设置各结构部件的实常数列表及数值；荷载参数设定模块用于对所选择的荷载类型，定义相应荷载分项的荷载参数；工况组合设定模块用于预定义工况组合类型，确定其中的分项系数和组合值系数；内力参数设定模块用于对间冷塔各结构部件设置相应的内力参数表及云图显示表；

执行模块，包括几何建模子单元、网格生成子单元、荷载工况生成子单元、内力分析子单元；几何建模子单元根据几何参数设定模块所确定的结构部件及几何参数，建立各结构部件的几何模型；网格生成子单元，基于上述所生成的各结构部件几何模型以及材料属性设定模块输出的材料参数、单元类型、材料常数以及各结构部件实常数，进行单元离散生成有限元模型；荷载工况生成子单元用于利用荷载分项参数生成并存储不同荷载类型下的工况文件；内力分析子单元，用于利用多种荷载工况文件中的一种或多种，对上述网格生成子单元生成的有限元模型进行加载，当进行组合工况下内力分析时，读取所需荷载工况文件，根据所选取的工况组合设定模块预定义工况组合类型中的分项系数和组合值系数，进行内力计算分析；

输出模块，用于根据内力参数设定模块所设定的内力参数表及云图显示表，针对空冷塔各结构部件输出其结构内力参数值及进行云图显示输出。

后处理模块，用于对内力分析结果的优化计算及后续结构设计工作中的计算工作，其中优化计算子单元，执行最优化过程，通过多次迭代调整系统原预置参数，得到最优设计序列结果作为空冷塔结构设计参数，经最优化分析后的空冷塔结构设计参数输入配筋计算模块中，完成空冷塔结构设计工作。

一种冷却塔的结构有限元分析方法，可应用于实际工程中的间冷塔结构设计与结构分析，该方法包括下述步骤：

第一步，根据间冷塔几何外形尺寸，设置间冷塔几何参数，建立参数化的间冷塔几何模型；其中根据结构需要定义相应的几何参数，利用相应的几何参数分别建立环基几何参数模型、X柱几何参数模型、展宽平台钢结构几何参数模型和塔筒几何参数模型；

第二步，根据所采用的结构材料类型定义间冷塔的材料参数，选择单元类型和设置材料常数；

第三步，设置间冷塔单元实常数；其中确定X柱实常数、展宽平台钢结构实常数和塔筒侧壁实常数；

第四步，通过单元离散建立有限元模型；设置环基底板单元属性、X柱及展宽平台钢结构单元属性、塔筒侧壁单元属性；设置网格尺寸并执行网格划分；

第五步，定义荷载参数；确定恒荷载工况、活荷载工况、风荷载工况、温度荷载工况和地震荷载工况；

第六步，分析运算及后处理过程；首先读取工况文件，定义组合系数，确定荷载工况组合；然后设定X柱内力单元表、展宽平台内力单元表、塔筒内力单元表；根据有限元计算得出的内力分析结果，调整间冷塔几何参数、材料参数和荷载参数，重复进行上述第一步至第六步。

本发明实现了间冷塔从建模到计算的全过程控制。同时，可以通过调整各参数的取值，对间冷塔结构进行最优化设计。避免大量重复的工作，可以极大的提高结构分析和设计的效率。

附图说明

图1为空冷塔有限元分析系统结构示意图；

图2为空冷塔有限元分析流程图；

图3为空冷塔有限元模型示意图；

图4为恒荷载施加示意图；

图5为活荷载施加示意图；

图6为风荷载施加示意图；

图7为塔筒某断面风荷载施加示意图；

图8为塔筒温度梯度分布示意图；

图9为模态分析第1阶振型图；

图10为模态分析第400阶振型图；

具体实施方式

下面将结合附图、附表和具体工程实例对本发明做进一步的详细说明：

图1中所示为本发明的一种基于APDL的间接空冷塔的结构有限元分析系统，包括输入模块1、预置模块2、执行处理模块3、输出模块4、后处理模块5。输入模块1，用于实现人机界面，使用者根据页面显示输入命令；

预置模块2，用于预定义所需的多种参数变量，并设置与其对应的参数数值，其中包括几何参数设定模块21、材料属性设定模块22、荷载参数设定模块23、工况组合设定模块24、内力参数设定模块25。通过输入模块将几何建模命令发送至几何参数设定模块，首先根据间冷塔几何外形尺寸，确定所需进行有限元分析的结构部件，设置定义间冷塔模型结构部件对应的几何参数列表，并通过输入模块为预设几何参数数值；通过输入模块将材料设置命令发送至材料属性设定模块，材料属性设定模块用于针对间冷塔各结构部件定义所用材料参数、设置单元类型和材料常数，以及定义设置各结构部件的实常数列表及数值；荷载参数设定模块用于针对所选择的荷载类型，定义相应的荷载参数，所选择荷载类型包括恒荷载、活荷载、风荷载、温度荷载和地震荷载；工况组合设定模块用于预定义工况组合类型，并设置其中的分项系数和组合值系数；内力参数设定模块用于针对间冷塔各结构部件设置相应的内力参数表；

执行处理模块3，包括几何建模子单元31、网格生成子单元32、荷载工况生成子单元33、内力分析子单元34；几何建模子单元根据几何参数设定模块所确定的结构部件单元及几何参数，建立各结构部件的几何模型，其中包括环基模型、X柱模型、展宽平台模型和塔筒模型；网格生成子单元，基于所生成的各结构部件几何模型及材料属性设定模块输出的材料参数、单元类型、材料常数以及实常数，通过设定环基底板及塔筒侧壁单元属性、展宽平台钢结构及X柱单元属性；进行单元离散建立有限元模型；荷载工况生成子单元用于生成并保存不同荷载类型下的工况文件，当荷载类型为恒荷载时，根据预置的钢筋混凝土自重、环基顶部和展宽平台荷载分项参数，计算并保存恒荷载工况文件；当荷载类型为活荷载时，根据预置的展宽平台荷载参数，计算并保存活荷载工况文件；当荷载类型为风荷载时，根据预置的基本风压和风振系数荷载参数，计算并保存风荷载工况文件；当荷载类型为温度荷载时，根据预置的塔筒内外温度及参考温度荷载参数，首先进行温度场稳态分析，建立温度场塔筒几何模型，定义温度场塔筒几何模型的单元类型和材料常数，定义温度场塔筒实常数，施加温度荷载；然后进行温度应力分析，计算并保存温度荷载工况文件；当荷载类型为地震荷载时，根据预置的特征周期、阻尼比、水平地震影响系数最大值和振型数量荷载参数，依次进行模态分析、地震谱分析、模态分析和合并模态处理过程，计算并保存温度地震荷载工况文件；内力分析子单元，用于利用多种荷载工况中的一种或多种，对上述网格生成子单元生成的有限元模型进行加载，当进行组合工况下内力分析时，读取所需荷载工况文件，根据所选定的工况组合设定模块预定义工况组合类型中分项系数和组合值系数，进行内力计算分析；

输出模块4，用于根据内力参数设定模块所设定的内力参数表及云图显示表，针对空冷塔各结构部件输出其相应内力参数值及输出云图显示输出；

后处理模块5，用于内力分析结果的优化计算及后续结构设计工作中的计算工作，其中优化计算子单元51，根据间接空冷塔结构的相关参数，利用上述几何建模、网格生成、加载荷载工况、内力分析过程作为优化分析文件，提取空冷塔结构分析中的重量作为目标函数和轴力、弯矩作为状态变量，执行优化过程，通过多次迭代调整原预置参数，得到最优设计序列结果作为空冷塔结构设计参数。经优化分析后的空冷塔结构设计参数输入配筋计算模块52中，完成空冷塔结构设计工作。

本发明以某2X300MW机组发电项目空冷系统为应用实例，该项目空冷系统为表面式间接空冷系统，采用两台汽轮机组配一座自然通风空冷塔。工作步骤流程见图2。

1.建立间冷塔参数化有限元模型模型。

1.1间冷塔有限元模型参数表

1.2间冷塔有限元模型参数化及应用。

1.2.1建立几何模型

执行步骤：

1)定义几何参数：

2)建立环基几何参数模型；

3)建立X柱几何参数模型；

4)建立展宽平台钢结构几何参数模型；

5)建立塔筒几何参数模型；

1.2.2定义间冷塔材料参数及单元类型

间冷塔的塔筒作为一种典型的薄壳结构，可以采用ANSYS的SHELL63进行模拟。X型支柱和钢结构展宽平台采用BEAM188单元进行模拟。基础环板采用SHELL63单元，同时利用SHELL63单元的弹性地基板功能模拟地基土体对基础环板的约束。模拟温度场时采用SHELL131单元，SHELL131为四节点热壳三维单元，具有面内和厚度方向的热传导能力，可以和结构壳单元SHELL63对应。

执行步骤：

1)定义材料参数；

2)定义单元类型；

3)定义材料常数；

1.2.3定义间冷塔单元实常数

执行步骤：

1)定义参数

2)定义展宽平台钢结构实常数；

3)定义X柱实常数；

4)定义塔筒侧壁实常数：

1.2.4单元离散建立有限元模型(见图3)

执行步骤：

1)定义环基底板及塔筒侧壁单元属性；

2)定义展宽平台钢结构及X柱单元属性；

3)单元离散；

环基底板SEHLL63单元网格尺寸取2000mm，塔筒侧壁SEHLL63单元网格尺寸取900mm，X柱及展宽平台钢结构杆件BEAM188单元网格尺寸取1000mm。

1.3施加荷载及约束

1.3.1定义荷载参数

1.3.1施加恒荷载(见图4)

恒荷载包括结构自重、环基覆土、冷却三角(充满水)、管道、阀门、展宽平台密封板、内吸力、氮气管道等。自重由软件自动计算，展宽平台密封板自重和平台内吸力以及管道荷载分别以线性荷载和集中荷载作用于展宽平台钢结构上，冷却三角、覆土、管道和阀门等的荷载等效成均布荷载作用于环基顶部。

定义恒荷载为荷载工况一。

1.3.2施加活荷载(见图5)

间冷塔上部的活荷载只存在于宽展平台密封板上，取活荷载和雪荷载的较大值作为活荷载值，折算成均布线荷载施加于展宽平台钢结构上部。

定义活荷载为荷载工况二。

1.3.3施加风荷载(见图6、图7)

间冷塔风荷载的分析计算采用等效静力风荷载的方法，按照《火力发电厂水工设计规范》公式w(Z，θ)＝βC_p(θ)μ_zw₀，

计算等效风荷载标准值，通过单元面力折算成节点力累加到个单元节点上。

定义风荷载为荷载工况三。

1.3.4温度应力分析(见图8)

根据实际工程，考虑冬季塔外30年一遇极端最低气温为-21℃，对应塔内温度经工艺计算取42.5℃。参考温度取间冷塔土建施工完成时的温度10℃。

定义温度荷载为荷载工况四：

执行步骤：

1)建立温度场塔筒几何模型：

2)定义单元类型和材料常数

3)定义塔筒实常数：

4)施加温度荷载：

5)温度应力分析

1.3.5施加地震荷载(见图9、图10)

运用阵型分解反应谱法进行间冷塔结构抗震验算，反应谱曲线采用《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)5.1.5条提供的地震影响系数曲线。取50年超越10％的地面水平地震动峰值加速度为0.1g，地震烈度七度，地震动反应谱特征周期0.4s，阻尼比取0.05，水平地震影响系数最大值为α_max＝0.25。利用Bloc Lanczos法提取间冷塔前n阶阵型，满足参与计算的阵型在水平Y方向和竖向Z方向上的总的有效质量系数分别满足大于90％的规范要求。合并模态采用完全方根组合CQC方法。

定义地震荷载为荷载工况五。

执行步骤：

1)模态分析(提取前400阶模态)

2)地震反应谱分析；

3)模态扩展；

3)合并模态；

1.4分析结果后处理

1.4.1.定义塔筒内力参数

执行步骤：

1)定义塔筒内力单元表；

2)定义X柱内力单元表；

3)云图显示单元表；

4)云图显示单元表；

1.5.工况组合

按DL/T5339-2006《火力发电厂水工设计规范》中规定的荷载设计组合考虑如下情况，各荷载工况分项系数和组合值系数按规范取值(活荷载不参与组合，单独计算展宽平台时考虑)。

1.5.1基本组合

S＝γ_GS_GK+γ_WS_WK+γ_tψ_tS_TK

S＝γ_GS_GK+γ_Wψ_WS_WK+γ_tS_TK

1.5.2地震作用偶然组合

S＝γ_GS_GE+γ_Wψ_WES_WK+γ_tψ_tS_TK+γ_ES_E

1.5.3荷载效应标准组合

S＝S_GE+S_WK+ψ_tS_TK

S＝S_GE+ψ_WS_WK+S_TK

执行步骤：

读取工况文件；

定义组合系数；

荷载组合；

4)内力分析结果反馈，迭代处理最优化调整参数。

1.6.配筋计算

对于任一工况组合，通过结构内力单元表，可以列出间冷塔及X柱内力值，并利用这些内力值进对间冷塔结构进行配筋计算，完成结构的设计工作。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，仅仅参照较佳实施例对本发明进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种基于APDL的间接空冷塔结构分析系统，包括输入模块、预置模块、执行处理模块、输出模块、后处理模块；其特征在于，包括：输入模块，用于提供人机交互接口，使用者根据操作需要输入命令；

2.一种冷却塔的结构分析方法，可应用于实际工程中的间冷塔结构设计与结构分析，该方法包括下述步骤：

第六步，分析运算及后处理过程；首先读取工况文件，定义组合系数，确定荷载工况组合；然后设定X柱内力单元表、展宽平台内力单元表、塔筒内力单元表；根据有限元计算得出的内力分析结果，调整间冷塔几何参数、材料参数和荷载参数，重复进行上述第一步至第六步，获取最优化结果。

3.如权利要求2所述的分析方法，在第一步中，建立环基几何参数模型利用环基中心半径、环基宽度；建立X柱几何参数模型利用X支柱对数；建立展宽平台钢结构几何参数模型利用展宽平台宽度、展宽平台径向分段数；建立塔筒几何参数模型利用进风口标高、进风口半径、出口标高、出口半径、塔筒竖向分段高度和塔筒竖向分段数。

4.如权利要求2所述的有限元分析方法，在第二步中，定义间冷塔的材料参数包括C30混凝土弹模、C35混凝土弹模、C40混凝土弹模、C45混凝土弹模、混凝土材料密度、混凝土泊松比、混凝土线膨胀系数、混凝土导热系数、钢材弹性模量、钢材材料密度和钢材泊松比。

5.如权利要求2所述的分析方法，在第三步中，间冷塔单元实常数包括环基厚度、X支柱截面宽、X支柱截面长、塔筒侧壁厚度和型钢截面参数。

6.如权利要求2所述的分析方法，在第四步中，通过单元离散建立有限元模型时，环基底板单元网格尺寸取2000mm，塔筒侧壁单元网格尺寸取900mm，X柱及展宽平台钢结构杆件单元网格尺寸取1000mm。

7.如权利要求2所述的分析方法，在第五步中，风荷载包括基本风压和风振系数；温度荷载包括塔筒外表面温度、参考温度和塔筒内表面温度。

8.如权利要求2所述的分析方法，在第五步中，确定温度荷载工况时执行以下步骤：进行温度场稳态分析，建立温度场塔筒几何模型；定义温度场塔筒几何模型的单元类型和材料常数；定义温度场塔筒实常数；施加温度荷载；进行温度应力分析。

9.如权利要求2所述的分析方法，在第五步中，确定地震荷载工况时执行以下步骤：提取间冷塔前n阶振型，满足参与计算的振型在水平Y方向和竖向Z方向上的总的有效质量系数分别满足大于90％的规范要求，进行模态分析；地震反应谱分析；进行模态扩展；采用CQC组合方法合并模态。

10.如权利要求2所述的分析方法，在第六步中，X柱内力单元表包括单元轴力、环向弯矩、径向弯矩和扭转弯矩，塔筒内力单元表包括环向轴力、竖向轴力、单元剪力、环向弯矩、竖向弯矩和单元扭矩；并且根据第六步中所输出的内力分析结果，进行结构配筋计算工作。