CN112380747A - 一种双曲线型钢结构冷却塔设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双曲线型钢结构冷却塔设计方法，涉及冷却塔设计技术领域，本发明结合了设计平台和分析平台，建立了通用的参数化设计方法，实施人员在面对需要修改设计的情况时，仅需要修改对应冷却塔的设计参数即可自动生成有限元模型并进行分析，提升了设计效率。

Description

一种双曲线型钢结构冷却塔设计方法

技术领域

本发明涉及冷却塔设计技术领域，具体而言，涉及一种双曲线型钢结构冷却塔设计方法。

背景技术

目前，国内大型冷却塔多采用双曲线钢筋混凝土薄壳结构。这种结构型式因其运行可靠性高、防腐蚀性能好，使用寿命长而被广泛应用。然而随着冷却塔塔筒越来越巨大，钢筋混凝土结构凸显出很多不足，如塔体过于笨重粗大、塔热力性能差、冷却效率低、施工工艺越来越复杂以及环保性能差等等。随着钢结构技术的发展，大型自然通风钢结构冷却塔较混凝土结构有了越来越多的技术优势。其自重轻，施工简单、速度快，抗震、抗风性能优良，综合造价低，环保方面，钢塔使用寿命结束后钢材可以重新回收利用，诸多因素使钢塔的优势更为突出，具有在国内推广实施的潜力。现有设计方法当中，设计平台与分析平台相互独立，而有限元分析的标准过程包括：定义模型及其载荷、求解和解释结果，假如求解结果表明有必要修改设计，那么就必须改变模型的几何结构或载荷并重复上述步骤。而钢结构双曲线冷却塔作为大型空间复杂结构，构件种类多，设计难度大。工程中，为做到方案最优，以节省造价，常常进行大量设计方案的对比，采用传统方法无疑会造成大量人力浪费。

发明内容

本发明旨在提供一种双曲线型钢结构冷却塔设计方法，其设计效率较高。

本发明的实施例是这样实现的：

一种双曲线型钢结构冷却塔设计方法，所述冷却塔采用覆盖有蒙板的双层平行桁架网壳，包括以下步骤：

S1、确定冷却塔的设计参数；

S2、依据设计参数建立几何模型；然后依据计算参数对几何模型中的各节点和杆件进行荷载、荷载工况组合计算得到荷载情况；

S3、依据几何模型、荷载情况生成参数化设计语言命令流文件，加载参数化设计语言命令流文件生成有限元模型；

S4、对有限元模型进行内力分析，以进行结构校验；如果结构校验合格则进入步骤S5,如果如结构校验不合格则进入步骤S6；

S5、对有限元模型进行稳定性分析；如果稳定性合格则进入步骤S7,如果如结构校验不合格则进入步骤S6；

S6、修改设计参数，并重复步骤S1至步骤S4；

S7、杆件建模；

S8、节点设计；

S9、蒙板设计；

S10、生成图纸和报表；

S11、施工校验；

S12、生成视频动画。

优选的，所述设计参数包括塔筒双曲线几何参数，双层桁架网壳中的环向分割份数、纵向分割高度、网壳厚度、各杆件的结构型式和长度尺寸以及节点形式；计算参数则包括结构自重、风荷载、温度作用参数、地震作用参数、荷载组合的分项系数和组合系数。

优选的，所述依据冷却塔的设计参数建立几何模型包括步骤：

S211：根据环向分割份数和纵向分割高度对节点进行编号；

S212：依据纵向分割高度计算每一层节点的标高，依据网壳厚度计算每一层节点的半径，然后根据环向分割份数计算每一列节点的对应的角度，以获得节点的柱坐标；

S213：依据节点编号对桁架单元进行编号；

S214：确定每一杆件两端的节点编号；

S215：依据每一杆件两端的节点编号，确定各杆件的编号，然后确定每一杆件的结构形式、长度尺寸和位置。

优选的，依据计算参数对几何模型中的各节点和杆件进行荷载、荷载工况组合计算包括步骤：

S221、分别计算获得几何模型中每一杆件的力学参数；

S222、对每一节点和每一杆件进行荷载计算，然后再进行不同荷载工况组合计算，以获得每一节点和每一杆件的荷载情况。

优选的，依据几何模型、荷载以及荷载工况组合计算结果生成参数化设计语言命令流文件包括步骤：

提取步骤215所得的杆件编号、结构形式、长度尺寸和位置，提取步骤S221中所获得的每一杆件的力学参数，提取步骤222所获得荷载情况，然后设置边界条件来生成参数化设计语言命令流文件。

优选的，对有限元模型进行内力分析，以进行结构校验具体包括步骤：

S41、计算出各杆件和节点在不同荷载工况组合下的内力和位移；所述内力包括轴力、剪力和弯矩；

S42、依据规范要求对上述杆件和节点内力和位移进行结构校验；所述结构校验包括长细比校验、确定长度校验、径厚比校验、位移校验。

优选的，步骤S5中所述稳定性分析包括整体稳定性分析、特征值分析、屈曲应力分析和非线性稳定分析。

优选的，所述杆件建模包括步骤：

读取几何模型中的杆件，选择合适的截面库，创建杆件模型；

所述节点设计包括步骤：

S81：遍历每一个节点，根据节点连接型式在节点库中选择相应节点；

S82：读取步骤S4中节点的内力信息并赋值给相应节点；

S83：利用软件中节点校验功能对节点的校验，若不满足结构设计要求，则修改相应节点设计信息，再次进行校验，直至满足结构设计要求；

所述蒙板设计包括步骤：

S91：根据节点编号对桁架单元的蒙板进行编号；

S92：确定每一个蒙板四角处的节点编号；

S93：依据节点编号计算每一个蒙板的几何尺寸。

优选的，所述步骤S10生成图纸和报表，具体包括步骤：

S101：根据型号和尺寸分别对杆件、节点和蒙板进行分类归并、汇总，并编号；

S102：创建统计报表，所述报表包括每一个构件类别的类型、个数、尺寸信息，以生成材料统计汇总表；

S103：形成剖面图；

S104：在剖面图中添加标注、文字说明信息，形成施工安装图纸；

S105：对图中数字、文字等信息进行校核、确认；

S106：利用软件的详图功能，创建一个构件类别的所有类型的加工制造详图，并添加标注和说明，最终得到绘制构件加工制造图；

S107：借助Advance steel软件和Autodesk FeatureCAM软件，创建CNC机床文件，辅助加工制造。

优选的，所述S11施工校验，具体包括步骤：

S111、输入施工设计参数，所述施工设计参数包括吊装桁架单元体宽度、高度以及吊装桁架单元节点数；

S112、根据施工设计参数，连系多个桁架单元以创建吊装桁架单元体并对吊装桁架单元分别编号；

S113、对各吊装桁架单元体进行复核，若满吊装要求，则进入步骤S115，否则进入步骤S114；

S114、修改施工设计参数，并重复步骤S111至S113；

还包括有步骤S13施工管理，具体包括步骤：

S131、对每一构件设置一相应的识别码；

S132、在服务器端建立与该识别码相对应的实时状态信息和安装信息，所述实时状态信息包括制造、运输、入库和已安装，所述安装信息包括构件的空间位置以及和周边构件的信息；

S133、将识别码贴合在与其相对应的构件上；

S134、在构件进入相应状态后，匹配修改服务器端中的构件的实时状态信息，使得实施人员可以通过读取识别码而获取构件的实时状态信息和安装信息。

由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果包括：

本发明主要通过结合设计平台和分析平台，建立了通用的参数化设计方法，实施人员在面对需要修改设计的情况时，仅需要修改对应冷却塔的设计参数即可自动生成有限元模型并进行分析，提升了设计效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例1的流程示意图；

图2为本发明实施例1中步骤S11的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1

参见图1，本实施例1提出一种双曲线型钢结构冷却塔的设计方法，所述冷却塔采用覆盖有蒙板的双层平行桁架网壳，包括以下步骤：

一种双曲线型钢结构冷却塔设计方法，所述冷却塔包括覆盖有蒙板的双层平行桁架网壳的双曲线塔筒，包括以下步骤：

S1、确定冷却塔的设计参数；

S2、依据设计参数建立几何模型；然后依据计算参数对几何模型中的各节点和杆件进行荷载、荷载工况组合计算得到荷载情况；

S3、依据几何模型、荷载情况生成参数化设计语言命令流文件，加载参数化设计语言命令流文件生成有限元模型；

S4、对有限元模型进行内力分析，以进行结构校验；如果结构校验合格则进入步骤S5,如果如结构校验不合格则进入步骤S6；

S5、对有限元模型进行稳定性分析；如果稳定性合格则进入步骤S7,如果如结构校验不合格则进入步骤S6；

S6、修改设计参数，并重复步骤S1至步骤S4；

S7、杆件建模；

S8、节点设计；

S9、蒙板设计；

S10、生成图纸和报表；

S11、施工校验；

S12、生成视频动画。

在本实施例中，所述设计参数包括塔筒双曲线几何参数，双层桁架网壳中的环向分割份数、纵向分割高度、网壳厚度、各杆件的结构型式和长度尺寸、节点形式以及斜支柱支承型式及个数，计算参数则包括结构自重、风荷载、温度作用参数、地震作用参数、荷载组合的分项系数和组合系数。

同时，在本实施例中，所述依据冷却塔的设计参数建立几何模型包括步骤：

S211：根据环向分割份数和纵向分割高度对节点进行编号；

S212：依据纵向分割高度计算每一层节点的标高，根据网壳厚度计算每一层节点的半径，然后根据环向分割份数计算每一列节点的对应的角度，来获得节点包括半径、角度和标高的柱坐标；

S213：依据节点编号对桁架单元进行编号；

S214：确定每一杆件两端的节点编号；

S215：依据每一杆件两端的节点编号，确定各杆件的编号，然后确定每一杆件的结构形式、长度尺寸和位置。

在本实施例中，所述节点编号为二维数组，分别用环向列数和纵向层数表示，所述桁架单元编号为三维数组，分别用环向列数、纵向层数、桁架单元内杆件编号表示。

在本实施例中，依据计算参数对几何模型中的各节点和杆件进行荷载、荷载工况组合计算包括步骤：

S221、分别计算获得几何模型中每一杆件的力学参数；

S222、对每一节点和每一杆件进行荷载计算，然后再进行不同荷载工况组合计算，以获得每一节点和每一杆件的荷载情况。

在本实施例中，上述力学参数具体指弹性模量，泊松比，容重，而分别计算每一节点的荷载对应包括有结构自重、风荷载。其中，节点的结构自重包括杆件自重、连接节点自重和蒙板自重。蒙板自重根据面积确定，并均匀的分摊在与之相连的四角处的节点上。而节点的风荷载具体指根据基本风压、风振系数、风压高度变化系数、平均风压分布系数确定每一个节点的风荷载数值。

在本实施例中，所述依据几何模型、荷载以及荷载工况组合计算结果生成有限元模型包括步骤：

提取步骤215所得的杆件编号、结构形式、长度尺寸和位置，提取步骤S221中所获得的每一杆件的力学参数，提取步骤222所获得荷载情况，然后设置边界条件来生成参数化设计语言(APDL)命令流文件；APDL是ANSYS命令程序语言，遵循FORTRAN语言语法规则，所述命令流文件以宏(MAC)方式融于一个文本文件中；

命令流文件的生成包括以下几步：a、创建单元类型，定义参数；b、定义材料参数并赋值；c、创建模型；d、划分单元；e、施加荷载；f、设置荷载组合工况；g、设置边界条件；

最后再在通用有限元软件中加载所述命令流文件的方式生成有限元模型。实施人员还可以采用生成符合通用有限元软件格式要求的数据文件来生成有限元模型。

在本实施例的有限元分析中，结构校验具体包括步骤：

S41、计算出各杆件和节点在不同荷载工况组合下的内力和位移；所述内力包括轴力、剪力和弯矩；

S42、依据规范要求对上述杆件和节点内力和位移进行结构校验；所述结构校验包括长细比校验、确定长度校验、径厚比校验、位移校验。

同时，在本实施例中，步骤S5中所述稳定性分析包括整体稳定性分析、特征值分析、屈曲应力分析和非线性稳定分析。

进一步的，在本实施例中，所述杆件建模包括步骤：读取杆件信息，选择合适的截面库，创建杆件模型；其中，杆件信息包括有该杆件的荷载情况和该杆件的结构形式、长度尺寸。

所述节点设计包括步骤：

S81：遍历每一个节点，根据节点连接型式在节点库中选择相应节点；

S82：读取步骤S4中节点的内力信息并赋值给相应节点；

S83：利用软件中节点校验功能对节点的校验，若不满足结构设计要求，则修改相应节点设计信息，再次进行校验，直至满足结构设计要求；

所述蒙板设计包括步骤：

S91：根据节点编号对桁架单元的蒙板进行编号；

S92：确定每一个蒙板四角处的节点编号；

S93：依据节点编号计算每一个蒙板的几何尺寸。

同时，所述步骤S10生成图纸和报表，具体包括步骤：

S101：根据型号和尺寸分别对杆件、节点和蒙板进行分类归并、汇总，并编号；

S102：创建统计报表，所述报表包括每一个构件类别的类型、个数、尺寸信息，以生成材料统计汇总表；

S103：形成剖面图；

S104：在剖面图中添加标注、文字说明信息，形成施工安装图纸；

S105：对图中数字、文字等信息进行校核、确认；

S106：利用软件的详图功能，创建一个构件类别的所有类型的加工制造详图，并添加标注和说明，最终得到绘制构件加工制造图；

S107：借助Advance steel软件和Autodesk FeatureCAM软件，创建CNC机床文件，辅助加工制造。

请参见图2，本实施例中的所述S11施工校验，具体包括步骤：

S111、输入施工设计参数，所述施工设计参数包括吊装桁架单元体宽度、高度以及吊装桁架单元节点数；

S112、根据施工设计参数，连系多个桁架单元以创建吊装桁架单元体并对吊装桁架单元分别编号；

S113、对各吊装桁架单元体进行复核，若满吊装要求，则进入步骤S115，否则进入步骤S114；

S114、修改施工设计参数，并重复步骤S111至S113；

S115、确定各吊装桁架单元体的吊装顺序，创建施工方案；

本实施例还包括有步骤S13施工管理，具体包括步骤：

S131、对每一构件设置一相应的识别码；

S132、在服务器端建立与该识别码相对应的实时状态信息和安装信息，所述实时状态信息包括制造、运输、入库和已安装，所述安装信息包括构件的空间位置以及和周边构件的关系；

S133、将识别码贴合在与其相对应的构件上；

S134、在构件进入相应状态后，匹配修改服务器端中的构件的实时状态信息，使得实施人员可以通过读取识别码而获取构件的实时状态信息和安装信息。

另外，关于步骤S12生成视频动画，在本实施例中，包括以下步骤：

导出几何模型，生成Navisworks软件可识别的nwc格式文件；

在Navisworks软件打开上述文件，制作动画视频。动画视频包括工进度模拟，施工安装工序模拟，漫游动画等，图直观、高效地输出设计结果。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双曲线型钢结构冷却塔设计方法，所述冷却塔采用覆盖有蒙板的双层平行桁架网壳，其特征在于，包括以下步骤：

S1、确定冷却塔的设计参数；

S2、依据设计参数建立几何模型；然后依据计算参数对几何模型中的各节点和杆件进行荷载、荷载工况组合计算得到荷载情况；

S3、依据几何模型、荷载情况生成参数化设计语言命令流文件，加载参数化设计语言命令流文件生成有限元模型；

S4、对有限元模型进行内力分析，以进行结构校验；如果结构校验合格则进入步骤S5,如果如结构校验不合格则进入步骤S6；

S5、对有限元模型进行稳定性分析；如果稳定性合格则进入步骤S7,如果如结构校验不合格则进入步骤S6；

S6、修改设计参数，并重复步骤S1至步骤S4；

S7、杆件建模；

S8、节点设计；

S9、蒙板设计；

S10、生成图纸和报表；

S11、施工校验；

S12、生成视频动画。

2.如权利要求1所述一种双曲线型钢结构冷却塔设计方法，其特征在于，所述设计参数包括塔筒双曲线几何参数，双层桁架网壳中的环向分割份数、纵向分割高度、网壳厚度、各杆件的结构型式和长度尺寸以及节点形式；计算参数则包括结构自重、风荷载、温度作用参数、地震作用参数、荷载组合的分项系数和组合系数。

3.如权利要求2所述一种双曲线型钢结构冷却塔设计方法，其特征在于，所述依据冷却塔的设计参数建立几何模型包括步骤：

S211：根据环向分割份数和纵向分割高度对节点进行编号；

S212：依据纵向分割高度计算每一层节点的标高，依据网壳厚度计算每一层节点的半径，然后根据环向分割份数计算每一列节点的对应的角度，以获得节点的柱坐标；

S213：依据节点编号对桁架单元进行编号；

S214：确定每一杆件两端的节点编号；

S215：依据每一杆件两端的节点编号，确定各杆件的编号，然后确定每一杆件的结构形式、长度尺寸和位置。

4.如权利要求3所述一种双曲线型钢结构冷却塔设计方法，其特征在于，依据计算参数对几何模型中的各节点和杆件进行荷载、荷载工况组合计算包括步骤：

S221、分别计算获得几何模型中每一杆件的力学参数；

S222、对每一节点和每一杆件进行荷载计算，然后再进行不同荷载工况组合计算，以获得每一节点和每一杆件的荷载情况。

5.如权利要求4所述一种双曲线型钢结构冷却塔设计方法，其特征在于，依据几何模型、荷载以及荷载工况组合计算结果生成参数化设计语言命令流文件包括步骤：

提取步骤215所得的杆件编号、结构形式、长度尺寸和位置，提取步骤S221中所获得的每一杆件的力学参数，提取步骤222所获得荷载情况，然后设置边界条件来生成参数化设计语言命令流文件。

6.如权利要求5所述一种双曲线型钢结构冷却塔设计方法，其特征在于：对有限元模型进行内力分析，以进行结构校验具体包括步骤：

S41、计算出各杆件和节点在不同荷载工况组合下的内力和位移；所述内力包括轴力、剪力和弯矩；

S42、依据规范要求对上述杆件和节点内力和位移进行结构校验；所述结构校验包括长细比校验、确定长度校验、径厚比校验、位移校验。

7.如权利要求5所述一种双曲线型钢结构冷却塔设计方法，其特征在于，步骤S5中所述稳定性分析包括整体稳定性分析、特征值分析、屈曲应力分析和非线性稳定分析。

8.如权利要求6所述一种双曲线型钢结构冷却塔设计方法，其特征在于，

所述杆件建模包括步骤：

读取几何模型中的杆件，选择合适的截面库，创建杆件模型；

所述节点设计包括步骤：

S81：遍历每一个节点，根据节点连接型式在节点库中选择相应节点；

S82：读取步骤S4中节点的内力信息并赋值给相应节点；

S83：利用软件中节点校验功能对节点的校验，若不满足结构设计要求，则修改相应节点设计信息，再次进行校验，直至满足结构设计要求；

所述蒙板设计包括步骤：

S91：根据节点编号对桁架单元的蒙板进行编号；

S92：确定每一个蒙板四角处的节点编号；

S93：依据节点编号计算每一个蒙板的几何尺寸。

9.如权利要求8所述一种双曲线型钢结构冷却塔设计方法，其特征在于，

所述步骤S10生成图纸和报表，具体包括步骤：

S101：根据型号和尺寸分别对杆件、节点和蒙板进行分类归并、汇总，并编号；

S102：创建统计报表，所述报表包括每一个构件类别的类型、个数、尺寸信息，以生成材料统计汇总表；

S103：形成剖面图；

S104：在剖面图中添加标注、文字说明信息，形成施工安装图纸；

S105：对图中数字、文字等信息进行校核、确认；

S106：利用软件的详图功能，创建一个构件类别的所有类型的加工制造详图，并添加标注和说明，最终得到绘制构件加工制造图；

S107：借助Advance steel软件和Autodesk FeatureCAM软件，创建CNC机床文件，辅助加工制造。

10.如权利要求9所述一种双曲线型钢结构冷却塔设计方法，其特征在于，

所述S11施工校验，具体包括步骤：

S111、输入施工设计参数，所述施工设计参数包括吊装桁架单元体宽度、高度以及吊装桁架单元节点数；

S112、根据施工设计参数，连系多个桁架单元以创建吊装桁架单元体并对吊装桁架单元分别编号；

S113、对各吊装桁架单元体进行复核，若满吊装要求，则进入步骤S115，否则进入步骤S114；

S114、修改施工设计参数，并重复步骤S111至S113；

还包括有步骤S13施工管理，具体包括步骤：

S131、对每一构件设置一相应的识别码；

S132、在服务器端建立与该识别码相对应的实时状态信息和安装信息，所述实时状态信息包括制造、运输、入库和已安装，所述安装信息包括构件的空间位置以及和周边构件的信息；

S133、将识别码贴合在与其相对应的构件上；

S134、在构件进入相应状态后，匹配修改服务器端中的构件的实时状态信息，使得实施人员可以通过读取识别码而获取构件的实时状态信息和安装信息。

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