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大型布袋钢结构除尘器有限元分析
高恒,周超
武汉理工大学土木工程与建筑学院,武汉(430070)
摘要:本文在作合理简化的基础上,运用非线性有限元软件ABAQUS建立了大型布袋除尘器钢结构的有限元模型,分析了结构在各种工况组合下的应力及变形情况,结果均满足设计要求。针对钢仓筒的有限元建模方法是合理的,可以应用于实际工程,并对同类结构设计有一定参考价值。
关键词:钢结构;除尘器;ABAQUS;有限元分析
1.工程概况
由于新型干法水泥工艺在国内外大规模的应用,带动了水泥厂大型高效布袋技术及装备的发展。本工程为某国外工业水泥生产线上的钢结构布袋除尘器,其造型庞大,形状独特且构造复杂。布袋除尘器主体结构尺寸44190×16630mm,纵向由两排9个连续钢仓筒组成,每个钢仓筒平面尺寸4910×5545mm,深9500mm。图1为除尘器的立面与侧面示意图。
图1除尘器的立面与侧面示意图图2为仓筒周围配件布置图:
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从图中可知,每个钢仓筒分上下两部分,上半部分为仓顶结构,由一个顶板、一个挂袋板和四个仓壁构成,顶板上有2台总重量为3500kg的小车。挂袋板板厚4mm厚按工艺要求布置有圆孔孔径160mm,圆孔四周设置L60×5的环向加劲肋。下半部分为仓底结构,为四棱锥漏斗。仓筒周围根据工艺要求还设有出气板和斜板。
根据过去同类型钢结构仓筒设计经验,除尘器仓顶结构中的每个仓壁厚取4mm,壁高9500mm,仓壁与仓壁侧面之间采用角钢焊接在一起。为防止仓壁发生局部屈曲,在仓壁内外两侧分别沿高度方向上每700mm设置一道纵向加劲肋,加劲肋为[14b槽钢,与仓壁焊接。
四棱锥漏斗钢板设计为4.5mm厚,漏斗沿高度方向上每480mm设置一道加劲肋,加劲肋选用L80×8等肢角钢。
出气板板厚4mm,板上根据工艺要求设置有直径1050mm的圆孔,圆孔四周设置L60×6的环向加劲肋。
斜板的作用是隔断上下输入输出气体,按照构造要求设计为4mm厚钢板,且每隔580mm设置一道加劲肋,加劲肋为[16槽钢。
由于本工程形状复杂,组成构件比较多,选择一般软件无法对结构进行精确的计算。本文在作出适当简化的基础上,采用ABAQUS6.4软件建立了布袋除尘器整体结构的有限元模型,并分析了结构在各种不同组合荷载作用下的应力和变形,结果均满足设计的要求,为结构设计提供了依据和安全保证。
2.有限元模型的建立
ABAQUS是国际上最先进的大型通用有限元软件之一,它可以分析复杂的工程力学问题,其驾驭庞大求解规模的能力,以及非线性力学分析功能均达到世界领先水平。有限元软件ABAQUS提供了广泛的单元,其庞大的单元库为用户提供了一套强有力的工具来解决多种步同类型的问题。ABAQUS在欧洲、北美和亚洲许多国家得到广泛应用,一个完整的ABAQUS分析过程,通常由三个步骤组成:前处理(ABAQUS/Pre或ABAQUS/CAE)、模拟计算(ABAQUS/Standard)和后处理(ABAQUS/Post)[1]。
2.1建模时的简化
1)为节约有限元计算成本,并考虑到对称性,取最不利位置的6个钢仓筒进行有限元模拟与结构分析。图3为ABAQUS模型结构布置图。
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2)经过简化后,每个仓筒的整体有限元模型中包含有仓壁、斜板、漏斗、挂袋板、顶板、出气板、隔板等主要部分。
3)由于顶板所起作用仅为传递恒载、活载及汽车荷载等。为简化计算成本和加载方便,把顶板用刚体代替,顶板上的恒载、活载直接以集中力的方式加到刚体中心的参考点上,小车荷载则考虑其最不利位置布置到仓壁顶端。
4)为保证结构安全,顶板再单独建立有限元模型进行验算。
2.2材料
根据结构设计要求,除尘器的基本构件全部采用Q235B钢材,弹性模量为E=2.06×105N/mm2,材料应力与应变关系假设为弹塑性两阶段,用两线段表示。工艺要求除尘器的工作温度为160-2000C,瞬时最大温度达到2800C。为考虑温度对钢材性能的影响,根据中国标准出版社出版的《1992压力容器国家标准汇编》,取钢板在环境温度2000C的容许应力折减设计值为203Mpa。漏斗中钢筋采用一级钢筋HPB235,根据《混凝土结构设计规范》[2],其弹性模量取为E=2.1×105N/mm2,屈服强度取设计值210N/mm2。
2.3单元
1.仓壁、斜板、漏斗、挂袋板等
这些构件自身均由宽厚比较大的钢板组成,有限元建模时采用三维壳单元模拟较为合适。根据以往有限元建模的经验,ABAQUS中的S4R单
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