CN111967075A - 承压抗震矩形风管的结构分析方法及装置 - Google Patents

承压抗震矩形风管的结构分析方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种承压抗震矩形风管的结构分析方法及装置，该方法包括以下步骤：将矩形风管的管体作为膜结构，对风管建模；采用线性方法对风管模型进行抗震分析，得到抗震分析计算结果；采用非线性方法对风管模型进行承压分析，得到承压分析计算结果；采用非线性方法对风管模型进行稳定性分析，得到稳定性分析计算结果；将分析计算结果进行力学评定，判断风管结构是否满足结构设计要求。本发明将风管模型中的管体由板结构改为膜结构，采用非线性分析模式，理论计算的力学指标与工程实践更加吻合，证明本方法精确有效，可减少风管的管体材料用量，在不降低安全性的前提下，提高经济性并降低安装难度，可在工程设计中广泛应用，使风管结构经济简易。

Description

承压抗震矩形风管的结构分析方法及装置
技术领域
本发明属于核设施通风系统设计技术领域，具体涉及一种承压抗震矩形风管的结构分析方法及装置。
背景技术
核电站通风系统中，大量采用矩形风管，如图1所示，矩形风管包括：至少两段通过法兰连接的管体、法兰、设置于管体上的加强筋、设置于管体上的抗震支架、连接件，抗震支架通过连接件与法兰连接，管体的横向截面为矩形。根据核电站运行工况要求，部分风管需要同时承受较高的运行气压和地震荷载。为保证核电站的安全可靠运行，有必要对薄壁风管结构的强度和刚度进行有效设计和验证。目前核电站管道的承压和抗震分析方法多基于线弹性理论，在计算厚壁钢板结构时误差不大，但在计算薄壁风管时，与实践产生了较大的差异。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种承压抗震矩形风管的结构分析方法及装置，理论计算出的力学指标与工程实践更加吻合，可减少风管的管体材料用量。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是提供一种承压抗震矩形风管的结构分析方法，包括以下步骤：
将矩形风管的管体作为膜结构，对风管建模；
采用线性方法对风管模型进行抗震分析，得到抗震分析计算结果；
采用非线性方法对风管模型进行承压分析，得到承压分析计算结果；
采用非线性方法对风管模型进行稳定性分析，得到稳定性分析计算结果；
将分析计算结果进行力学评定，判断风管结构是否满足结构设计要求。
优选的是，所述承压抗震矩形风管的结构分析方法，还包括以下步骤：
将抗震分析计算结果、承压分析计算结果累加，进行应力分析，得到风管模型力学评定所需的各项应力分析计算结果。
优选的是，所述承压抗震矩形风管的结构分析方法，还包括以下步骤：
对建模的风管的结构中的连接件进行受力分析，得到受力分析计算结果。
优选的是，对风管建模的具体方法为：
对矩形风管进行三维建模，矩形风管包括：至少两段通过法兰连接的管体、法兰、设置于管体上的加强筋、设置于管体上的抗震支架、连接件，连接件包括第一连接件、第二连接件，抗震支架通过第一连接件与法兰连接，法兰与管体通过第二连接件连接，管体的横向截面为矩形，管体采用面单元建模，法兰、加强筋、抗震支架采用面单元或梁单元建模，连接件设置为铰接点。管体的膜结构网格划分优先采用三角形网格。
优选的是，矩形风管的管体为薄壁管体，管体壁的厚度为0.8～3mm。大尺寸矩形风管的管体的管壁比较厚，已由板结构过渡到了膜结构，非线性因素主导了结构力学性能。对于大尺寸薄壁矩形风管，采用非线性方法进行承压分析、稳定性分析，有效降低材料用量。
优选的是，采用线性方法对风管模型进行抗震分析具体为：对模型进行模态分析，计算固有频率在33Hz以下的所有振型，并对有效质量系数进行累计，在模态分析的基础上，输入地震楼层反应谱，对模型进行线性谱分析，得到抗震分析计算结果组合；
采用非线性方法对风管模型进行承压分析具体为：设置荷载组合，通过非线性方法计算，对模型进行受力分析，得到承压分析计算结果组合；
采用非线性方法对风管模型进行稳定性分析具体为：通过非线性方法增加荷载至结构破坏，设置初始等效静荷载，计算结构的临界荷载系数。
优选的是，承压分析中的荷载组合包括自重荷载、气压荷载、33Hz以上振型质量的等效地震静荷载；
稳定性分析中的初始等效静荷载包括等效自重静荷载、等效气压静荷载、等效地震静荷载。
优选的是，对风管模型进行承压分析所采用的非线性方法为非线性三阶大变形方法；
对风管模型进行稳定性分析所采用的非线性方法为非线性屈曲分析法。
本发明还提供一种承压抗震矩形风管的结构分析装置，包括：
建模模块，用于将矩形风管的管体作为膜结构，对风管建模；
抗震分析模块，用于采用线性方法对风管模型进行抗震分析，得到抗震分析计算结果；
承压分析模块，用于采用非线性方法对风管模型进行承压分析，得到承压分析计算结果；
稳定性分析模块，用于采用非线性方法对风管模型进行稳定性分析，得到稳定性分析计算结果；
判断模块，用于将分析计算结果进行力学评定，判断风管结构是否满足结构设计要求。
优选的是，所述的承压抗震矩形风管的结构分析的装置，还包括：
应力分析模块，用于将抗震分析计算结果、承压分析计算结果累加，进行应力分析，得到风管模型力学评定所需的各项应力分析计算结果。
优选的是，所述的承压抗震矩形风管的结构分析的装置，还包括：
连接件受力分析模块，用于对建模的风管的结构中的连接件进行受力分析，得到受力分析计算结果。
优选的是，建模模块对风管进行三维建模，矩形风管包括：至少两段通过法兰连接的管体、法兰、设置于管体上的加强筋、设置于管体上的抗震支架、连接件，连接件包括第一连接件、第二连接件，抗震支架通过第一连接件与法兰连接，法兰与管体通过第二连接件连接，管体的横向截面为矩形，建模模块包括：
第一建模子模块，用于对管体采用面单元建模；
第二建模子模块，用于对法兰、加强筋、抗震支架采用面单元或梁单元建模，连接件设置为铰接点。
优选的是，矩形风管的管体为薄壁管体，管体壁的厚度为0.8～3mm。
优选的是，抗震分析模块，包括：
第一抗震分析子模块，用于对模型进行模态分析，
第二抗震分析子模块，用于计算固有频率在33Hz以下的所有振型，并对有效质量系数进行累计，
第三抗震分析子模块，用于在模态分析的基础上，输入地震楼层反应谱，对模型进行线性谱分析，得到抗震分析计算结果组合；
承压分析模块，包括：
第一承压分析子模块，用于设置荷载组合，
第二承压分析子模块，用于通过非线性方法计算，对模型进行受力分析，得到承压分析计算结果组合；
稳定性分析模块，包括：
第一稳定性分析子模块，用于通过非线性方法增加荷载至结构破坏，
第二稳定性分析子模块，用于设置初始等效静荷载，计算结构的临界荷载系数。
优选的是，承压分析模块对风管模型进行承压分析所采用的非线性方法为非线性三阶大变形方法；
稳定性分析模块对风管模型进行稳定性分析所采用的非线性方法为非线性屈曲分析法。
本发明中的承压抗震矩形风管的结构分析方法在两处计算过程中采用了非线性理论：
1.非线性大变形方法：对于大尺寸薄壁矩形风管，大变形方法计算出的应力比线性方法要低20％-80％，可有效的降低材料用量。
2.非线性屈曲分析方法(增加载荷至破坏)：对于矩形风管，非线性方法计算出的临界载荷系数，比线性特征值法的计算结果低一个数量级。证明矩形风管具备良好的后屈曲特性，即风管在达到线性临界载荷后，仍能承受相当大的额外载荷而不发生屈曲，允许风管结构更加轻薄。
通过本发明中的承压抗震矩形风管的结构分析方法及装置，将风管模型中的管体由板结构改为膜结构，并采用非线性分析模式，理论计算出的力学指标与工程实践更加吻合，证明本方法精确有效，可减少风管的管体材料用量，在不降低安全性的前提下，提高经济性并降低安装难度，可在工程设计中广泛应用，使风管结构更加经济简易。
附图说明
图1是本发明实施例1中的承压抗震矩形风管的结构分析方法的流程图；
图2是本发明实施例1中的承压抗震矩形风管的结构分析装置的结构示意图；
图3是本发明实施例2中的承压抗震矩形风管的结构分析方法的流程图；
图4是本发明实施例2中的承压抗震矩形风管的结构分析装置的结构示意图；
图5是本发明实施例2中的建模模块的结构示意图；
图6是本发明实施例2中的抗震分析模块的结构示意图；
图7是本发明实施例2中的承压分析模块的结构示意图；
图8是本发明实施例2中的稳定性分析模块的结构示意图；
图9是本发明实施例2中的风管的结构示意图。
图中：1-建模模块；11-第一建模子模块；12-第二建模子模块；2-抗震分析模块；21-第一抗震分析子模块；22-第二抗震分析子模块；23-第三抗震分析子模块；3-承压分析模块；31-第一承压分析子模块；32-第二承压分析子模块；4-稳定性分析模块；41-第一稳定性分析子模块；42-第一稳定性分析子模块；5-判断模块；6-应力分析模块；7-连接件受力分析模块；8-钢板；9-法兰；10-加强筋；13-连接件；14-抗震支架。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
下面详细描述本专利的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利，而不能理解为对本专利的限制。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种承压抗震矩形风管的结构分析方法，包括以下步骤：
S101将矩形风管的管体作为膜结构，对风管建模；
S102采用线性方法对风管模型进行抗震分析，得到抗震分析计算结果；
S103采用非线性方法对风管模型进行承压分析，得到承压分析计算结果；
S104采用非线性方法对风管模型进行稳定性分析，得到稳定性分析计算结果；
S105将分析计算结果进行力学评定，判断风管结构是否满足结构设计要求。若分析计算结果满足力学评定标准，则风管结构满足结构设计要求；若分析计算结果不满足力学评定标准，则风管结构满足结构设计要求。
如图2所示，本实施例还提供一种承压抗震矩形风管的结构分析装置，包括：
建模模块1，用于将矩形风管的管体作为膜结构，对风管建模；
抗震分析模块2，用于采用线性方法对风管模型进行抗震分析，得到抗震分析计算结果；
承压分析模块3，用于采用非线性方法对风管模型进行承压分析，得到承压分析计算结果；
稳定性分析模块4，用于采用非线性方法对风管模型进行稳定性分析，得到稳定性分析计算结果；
判断模块5，用于将分析计算结果进行力学评定，判断风管结构是否满足结构设计要求。
通过本实施例中的承压抗震矩形风管的结构分析方法及装置，该理论计算结果与工程实践保持一致，证明本方法精确有效，可在工程设计中广泛应用，使风管结构更加经济简易。
通过本实施例中的承压抗震矩形风管的结构分析方法及装置，将风管模型中的管体由板结构改为膜结构，并采用非线性分析模式，理论计算出的力学指标与工程实践更加吻合，证明本方法精确有效，可减少风管的管体材料用量，在不降低安全性的前提下，提高经济性并降低安装难度，可在工程设计中广泛应用，使风管结构更加经济简易。
实施例2
如图3所示，本实施例提供一种承压抗震矩形风管的结构分析方法，包括以下步骤：
S201将矩形风管的管体作为膜结构，对矩形风管进行三维建模：
如图9所示，矩形风管包括：至少两段通过法兰9连接的管体、法兰9、设置于管体上的加强筋10、设置于管体上的抗震支架14、连接件13，连接件13包括第一连接件、第二连接件，抗震支架14通过第一连接件与法兰9连接，法兰9与管体通过第二连接件连接，管体的横向截面为矩形，管体采用面单元建模，法兰9、加强筋10、抗震支架14采用面单元或梁单元建模，连接件13设置为铰接点。管体的膜结构网格划分优先采用三角形网格。优选的是，矩形风管的管体为薄壁管体，管体壁的厚度为0.8～3mm。具体的，本实施例中的矩形风管的管体的材质为钢板8，管体由矩形钢板8围成，且矩形风管镀锌，第一连接件为螺栓，第二连接件为铆钉。
S202采用线性方法对风管模型进行抗震分析：对模型进行模态分析，计算固有频率在33Hz以下的所有振型，并对有效质量系数进行累计，在模态分析的基础上，输入地震楼层反应谱，对模型进行线性抗震谱分析，得到抗震分析计算结果组合a；
S203采用非线性方法对风管模型进行承压分析：设置荷载组合，荷载组合包括自重荷载、气压荷载、33Hz以上剩余振型质量的等效地震静荷载，通过非线性三阶大变形方法计算，对模型进行应力和变形分析，得到承压分析计算结果组合b；
S204将抗震分析计算结果a、承压分析计算结果b累加，得到结果组合c，在此基础上计算结构设计用的应力、变形和支反力，得到风管模型力学评定所需的各项应力分析计算结果；
S205采用非线性方法对风管模型进行稳定性分析：通过非线性屈曲分析法对风管整体结构进行增加荷载至结构破坏的非线性稳定性分析，设置初始等效静荷载，初始等效静荷载包括等效自重静荷载、等效气压静荷载、等效地震静荷载，计算结构的临界荷载系数，得到稳定性分析计算结果。
S206在模型中提取出第一连接件螺栓铰接处的受力，根据螺栓规格，分别计算螺栓的预紧力、拉应力和剪应力；法兰与管体间的第二连接件铆钉由于数量较多，简化为均布荷载并考虑连接面端部和中央的不均匀折减系数计算其拉力和剪力，对建模的风管的结构中的连接件进行受力分析，得到受力分析计算结果。
S207根据适用的规范和标准，对上述过程中计算得出的应力、变形、固有频率和临界载荷系数进行力学评定，判断风管结构是否满足设计要求，完成风管结构分析。若分析计算结果满足力学评定标准，则风管结构满足结构设计要求；若分析计算结果不满足力学评定标准，则风管结构满足结构设计要求。
大尺寸矩形风管的管体的管壁比较厚，已由板结构过渡到了膜结构，非线性因素主导了结构力学性能。对于大尺寸薄壁矩形风管，采用非线性方法进行承压分析、稳定性分析，有效降低材料用量。
如图4所示，本实施例还提供一种上述方法所使用的承压抗震矩形风管的结构分析装置，包括：
建模模块1，用于将矩形风管的管体作为膜结构，对风管建模；
如图5所示，建模模块1对风管进行三维建模，建模模块1包括：
第一建模子模块11，用于对管体采用面单元建模；
第二建模子模块12，用于对法兰、加强筋、抗震支架采用面单元或梁单元建模，连接件设置为铰接点。
如图6所示，抗震分析模块2，用于采用线性方法对风管模型进行抗震分析，得到抗震分析计算结果；抗震分析模块2，包括：
第一抗震分析子模块21，用于对模型进行模态分析，
第二抗震分析子模块22，用于计算固有频率在33Hz以下的所有振型，并对有效质量系数进行累计，
第三抗震分析子模块23，用于在模态分析的基础上，输入地震楼层反应谱，对模型进行线性谱分析，得到抗震分析计算结果组合；
如图7所示，承压分析模块3，用于采用非线性方法对风管模型进行承压分析，得到承压分析计算结果；承压分析模块3，包括：
第一承压分析子模块31，用于设置荷载组合，
第二承压分析子模块32，用于通过非线性方法计算，对模型进行受力分析，得到承压分析计算结果组合；
承压分析模块3对风管模型进行承压分析所采用的非线性方法为非线性三阶大变形方法；荷载组合包括自重荷载、气压荷载、33Hz以上振型质量的等效地震静荷载。
应力分析模块6，用于将抗震分析计算结果、承压分析计算结果累加，进行应力分析，得到风管模型力学评定所需的各项应力分析计算结果。
如图8所示，稳定性分析模块4，用于采用非线性方法对风管模型进行稳定性分析，得到稳定性分析计算结果；稳定性分析模块4，包括：
第一稳定性分析子模块41，用于通过非线性方法增加荷载至结构破坏，
第二稳定性分析子模块42，用于设置初始等效静荷载，计算结构的临界荷载系数。
稳定性分析模块4对风管模型进行稳定性分析所采用的非线性方法为非线性屈曲分析法。初始等效静荷载包括等效自重静荷载、等效气压静荷载、等效地震静荷载。
连接件受力分析模块7，用于对建模的风管的结构中的连接件进行受力分析，得到受力分析计算结果。
判断模块5，用于将分析计算结果进行力学评定，判断风管结构是否满足结构设计要求。
本实施例中的承压抗震矩形风管的结构分析方法在两处计算过程中采用了非线性理论：
1.对风管模型进行承压分析所采用的非线性大变形方法：对于大尺寸薄壁矩形风管，大变形方法计算出的应力比线性方法要低20％-80％，可有效的降低材料用量。
2.对风管模型进行稳定性分析所采用的非线性屈曲分析方法(增加载荷至破坏)：对于矩形风管，非线性方法计算出的临界载荷系数，比线性特征值法的计算结果低一个数量级。证明矩形风管具备良好的后屈曲特性，即风管在达到线性临界载荷后，仍能承受相当大的额外载荷而不发生屈曲，允许风管结构更加轻薄。
上述理论计算结果与工程实践保持一致，证明本方法精确有效，可在工程设计中广泛应用，使风管结构更加经济简易。
具体的，分析工具选用任一种有限元结构分析软件。优选的是，分析工具为ANSYS或RFEM。
通过本实施例中的承压抗震矩形风管的结构分析方法及装置，将风管模型中的管体由板结构改为膜结构，并采用非线性分析模式，理论计算出的力学指标与工程实践更加吻合，证明本方法精确有效，可减少风管的管体材料用量，在不降低安全性的前提下，提高经济性并降低安装难度，可在工程设计中广泛应用，使风管结构更加经济简易。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种承压抗震矩形风管的结构分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
将矩形风管的管体作为膜结构，对风管建模；
采用线性方法对风管模型进行抗震分析，得到抗震分析计算结果；
采用非线性方法对风管模型进行承压分析，得到承压分析计算结果；
采用非线性方法对风管模型进行稳定性分析，得到稳定性分析计算结果；
将分析计算结果进行力学评定，判断风管结构是否满足结构设计要求。
2.根据权利要求1所述承压抗震矩形风管的结构分析方法，其特征在于，还包括以下步骤：
将抗震分析计算结果、承压分析计算结果累加，进行应力分析，得到风管模型力学评定所需的各项应力分析计算结果。
3.根据权利要求1所述承压抗震矩形风管的结构分析方法，其特征在于，还包括以下步骤：
对建模的风管的结构中的连接件进行受力分析，得到受力分析计算结果。
4.根据权利要求1所述承压抗震矩形风管的结构分析方法，其特征在于，对风管建模的具体方法为：
对矩形风管进行三维建模，矩形风管包括：至少两段通过法兰连接的管体、法兰、设置于管体上的加强筋、设置于管体上的抗震支架、连接件，连接件包括第一连接件、第二连接件，抗震支架通过第一连接件与法兰连接，法兰与管体通过第二连接件连接，管体的横向截面为矩形，管体采用面单元建模，法兰、加强筋、抗震支架采用面单元或梁单元建模，连接件设置为铰接点。
5.根据权利要求1所述承压抗震矩形风管的结构分析方法，其特征在于，矩形风管的管体为薄壁管体，管体壁的厚度为0.8～3mm。
6.根据权利要求1～5任意一项所述承压抗震矩形风管的结构分析方法，其特征在于，采用线性方法对风管模型进行抗震分析具体为：对模型进行模态分析，计算固有频率在33Hz以下的所有振型，并对有效质量系数进行累计，在模态分析的基础上，输入地震楼层反应谱，对模型进行线性谱分析，得到抗震分析计算结果组合；
采用非线性方法对风管模型进行承压分析具体为：设置荷载组合，通过非线性方法计算，对模型进行受力分析，得到承压分析计算结果组合；
采用非线性方法对风管模型进行稳定性分析具体为：通过非线性方法增加荷载至结构破坏，设置初始等效静荷载，计算结构的临界荷载系数。
7.根据权利要求6所述承压抗震矩形风管的结构分析方法，其特征在于，承压分析中的荷载组合包括自重荷载、气压荷载、33Hz以上振型质量的等效地震静荷载；
稳定性分析中的初始等效静荷载包括等效自重静荷载、等效气压静荷载、等效地震静荷载。
8.根据权利要求1～5、7任意一项所述承压抗震矩形风管的结构分析方法，其特征在于，对风管模型进行承压分析所采用的非线性方法为非线性三阶大变形方法；
对风管模型进行稳定性分析所采用的非线性方法为非线性屈曲分析法。
9.一种承压抗震矩形风管的结构分析装置，其特征在于，包括：
建模模块，用于将矩形风管的管体作为膜结构，对风管建模；
抗震分析模块，用于采用线性方法对风管模型进行抗震分析，得到抗震分析计算结果；
承压分析模块，用于采用非线性方法对风管模型进行承压分析，得到承压分析计算结果；
稳定性分析模块，用于采用非线性方法对风管模型进行稳定性分析，得到稳定性分析计算结果；
判断模块，用于将分析计算结果进行力学评定，判断风管结构是否满足结构设计要求。
10.根据权利要求9所述的承压抗震矩形风管的结构分析的装置，其特征在于，还包括：
应力分析模块，用于将抗震分析计算结果、承压分析计算结果累加，进行应力分析，得到风管模型力学评定所需的各项应力分析计算结果。
11.根据权利要求9所述的承压抗震矩形风管的结构分析的装置，其特征在于，还包括：
连接件受力分析模块，用于对建模的风管的结构中的连接件进行受力分析，得到受力分析计算结果。
12.根据权利要求9所述的承压抗震矩形风管的结构分析的装置，其特征在于，建模模块对风管进行三维建模，矩形风管包括：至少两段通过法兰连接的管体、法兰、设置于管体上的加强筋、设置于管体上的抗震支架、连接件，连接件包括第一连接件、第二连接件，抗震支架通过第一连接件与法兰连接，法兰与管体通过第二连接件连接，管体的横向截面为矩形，建模模块包括：
第一建模子模块，用于对管体采用面单元建模；
第二建模子模块，用于对法兰、加强筋、抗震支架采用面单元或梁单元建模，连接件设置为铰接点。
13.根据权利要求9所述的承压抗震矩形风管的结构分析的装置，其特征在于，矩形风管的管体为薄壁管体，管体壁的厚度为0.8～3mm。
14.根据权利要求9～13任意一项所述的承压抗震矩形风管的结构分析的装置，其特征在于，
抗震分析模块，包括：
第一抗震分析子模块，用于对模型进行模态分析，
第二抗震分析子模块，用于计算固有频率在33Hz以下的所有振型，并对有效质量系数进行累计，
第三抗震分析子模块，用于在模态分析的基础上，输入地震楼层反应谱，对模型进行线性谱分析，得到抗震分析计算结果组合；
承压分析模块，包括：
第一承压分析子模块，用于设置荷载组合，
第二承压分析子模块，用于通过非线性方法计算，对模型进行受力分析，得到承压分析计算结果组合；
稳定性分析模块，包括：
第一稳定性分析子模块，用于通过非线性方法增加荷载至结构破坏，
第二稳定性分析子模块，用于设置初始等效静荷载，计算结构的临界荷载系数。
15.根据权利要求9～13任意一项所述的承压抗震矩形风管的结构分析的装置，其特征在于，
承压分析模块对风管模型进行承压分析所采用的非线性方法为非线性三阶大变形方法；
稳定性分析模块对风管模型进行稳定性分析所采用的非线性方法为非线性屈曲分析法。
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