吸收塔底部槽钢结构的有限元模拟分析

刘超，田雅琴，黄庆学，薛晓珲

(太原科技大学，太原 030024)

吸收塔底部槽钢结构的有限元模拟分析

刘超，田雅琴，黄庆学，薛晓珲

(太原科技大学，太原 030024)

吸收塔是化工环保领域的重要设备，其底部槽钢结构能很好地保证吸收塔的静强度和抗震性能要求。利用ANSYS软件建立了吸收塔及其底部槽钢结构的有限元模型，完成了其结构静强度分析，得到了底板和槽钢结构的应力与位移分布规律，并进行了刚度和强度校核。计算结果表明，吸收塔底部平板外圆周和槽钢焊接处的变形和应力比其他位置要大，最大位移为0.15 mm，最大Mises应力为146 MPa，超过设计温度下Q235-B材料的许用应力值113 MPa，焊接位置发生断裂或拉伤的可能性较大，仿真结果与试验结果吻合较好。

吸收塔;槽钢结构;有限元分析;应力强度

脱硫吸收塔是一种广泛应用于化工环保行业的大型薄壁钢制圆筒结构［1］，为了保证其结构强度及抗震性能的要求，通常在其底板上焊接一个槽钢结构的加强底座。由于槽钢结构复杂，采用常规设计方法很难完成其性能分析与评价工作。因此，利用现代有限元模拟技术对吸收塔底部的槽钢结构进行模拟分析［2］，并研究槽钢结构的应力强度和变形规律，具有十分重要的工程应用价值。

随着计算机仿真技术的快速发展，国内已有不少技术人员利用有限元法对吸收塔或槽钢结构开展力学分析和性能研究。牛飞等［3］使用ANSYS软件对脱硫吸收塔进行了抗震性能的模拟分析，建立了吸收塔结构动力特性分析的有限元模型，李琪等［4］采用有限元仿真技术完成了基于API规范的吸收塔应力分析。王晓斌［5］利用ANSYS/LS-DYNA软件模拟了槽钢辊弯成型的动态过程，陈连生等［6］针对工程机械用类槽钢在轧制成型后需要冷矫直这一问题，用CAE软件ANSYS开展了其矫直工艺的模拟研究。本文主要利用ANSYS软件建立吸收塔及其底部槽钢结构的有限元模型，并计算出结构载荷，完成其仿真模拟分析，确定其应力和位移的分布规律，进行其刚度和强度的校核。

1 吸收塔底部槽钢加强结构

吸收塔是脱硫脱硝等节能减排系统中非常重要的设备之一，所用吸收塔在常温下工作，设备自重9吨，吸收塔内下部有14根排液管和支撑梁，塔体开设管道洞孔、烟气进出口，塔体有些局部用型钢加强，总重达70多吨，操作压力4 kg/cm2，设备内直径4 m，高5 m.老卤液体从设备上部进液口打进塔内，压力0.4 MPa，设计压力取0.44 MPa，试验压力0.55 MPa.

为保证强度要求，吸收塔底部加强筋采用如图1所示的16a型槽钢结构(由于计算模型的对称性，取四分之一结构进行有限元模拟计算)，单根16a型槽钢的示意图和规格尺寸分别如图2和表1所示。

2 吸收塔载荷计算及有限元建模

2.1 吸收塔载荷的确定

吸收塔除了结构的自重以外，还主要承受操作压力以及塔内液体所产生的压力。因此，吸收塔承受的总压力P为:

其中p操作=0.4 MPa，液体所产生的压力是随着液体的深度增加而逐渐增大的，沿着塔的高度方向线性变化，在吸收塔底部平板上压力最大，其受力分析示意图如图3所示。

图1 吸收塔底部槽钢结构Fig.1 The channel structure at the bottom of absorber tower

图2 16a型槽钢结构示意图Fig.2 The channel structure of 16a

表1 16a槽钢的尺寸规格Tab.1 The size of 16a channel

图3 吸收塔受力分析图Fig.3 The force analysis of the absorber tower

2.2 吸收塔的有限元分析模型

利用ANSYS软件建立吸收塔的有限元模型。ANSYS是美国研制的大型通用有限元分析软件，它是一个功能强大的、灵活的设计分析及优化软件，融结构、热、流体等于一体，可广泛应用于各种行业及研究。一个典型的ANSYS分析过程可分为以下三个步骤:创建有限元模型;施加载荷进行求解;察看分析结果。

在对吸收塔和底部槽钢结构进行有限元分析之前，首先做以下基本简化:

(1)充装系数为1，即液体充满整个吸收塔;

(2)所有焊接为连续焊，且焊接接头质量可靠，无焊接缺陷;

(3)忽略吸收塔内接管和排液管等所有配件对结构强度的影响。

经简化后的计算模型，其结构和承载均具有对称性，在有限元分析中，取吸收塔的1/4模型进行分析。由于采用的是对称模型，因此在两个1/4剖面上施加对称约束;又因为吸收塔是安装在土建基础结构之上的，所以在槽钢的底面施加Z方向的约束，具体的约束如图4所示。

图4 吸收塔的几何模型Fig.4 The geometric model of absorber tower

采用具有3个自由度(即X、Y、Z三个方向的移动)和8个节点的SOLID45单元进行单元剖分，筒体及封头使用扫掠网格划分，底部平板和槽钢使用自由网格划分，共有单元61 012个，节点27 286个。吸收塔和底部槽钢的网格划分分别如图5和图6所示。

根据前面所确定的载荷类型和大小，在ANSYS中对吸收塔壁面和底板施加压力载荷，同时考虑结构自身的重量，加载后的有限元分析模型如图7所示。

3 有限元模拟分析结果

ANSYS程序的后处理模块包含通用后处理模块(POST1)和时间历程后处理模块(POST2)两个部分。通过在POST1模块中可以获取经求解以后吸收塔底部槽钢结构的总位移和Mises应力分布云图。

图5 吸收塔的网格模型Fig.5 The grid model of absorber tower

图6 底部槽钢结构的网格划分Fig.6 The meshing of channel structure

图7 施加载荷的吸收塔有限元模型Fig.7 The FEM of absorber under load

从图8底板和槽钢的总位移云图中可以看出，底板外圆周边上变形比内部要大，最大位移发生在外周边槽钢非搭接处。槽钢纵横交错的空白处，其底板变形明显比有槽钢支撑的位移要大。

图8 底板和槽钢的总位移云图Fig.8 The total displacement nephogram of the baseboard and the channel structurestructure

从图9槽钢的总位移云图中可以看出，槽钢结构的端部变形较大，而且越短的槽钢变形越明显。

图9 槽钢结构的总位移云图Fig.9 The total displacement nephogram of channel structure

图10 实验过程中槽钢结构的变形图Fig.10 The deformation pattern of channel structure during experimentation

图10为吸收塔实验过程中槽钢的变形图，可以发现槽钢的端部发生明显的翘曲变形，实验测得的最大变形值为0.21 mm，与有限元模拟结果比较接近，而且变形趋势基本一致。

图11 底板和槽钢的Mises应力云图Fig.11 The Mises stress nephogram of baseboard and channel structure

从图11底板和槽钢的Mises应力云图中可以看出，最大应力发生在槽钢端部与底板翘曲的位置，此处因应力较大，底板和槽钢有拉裂开的趋势。从图12槽钢结构的Mises应力云图中可以看出，槽钢结构外端部的应力比其他部位的应力要大，换言之，吸收塔底板和槽钢在外圆周接触的位置是强度最弱的地方。

4 结论

通过上述对吸收塔底部槽钢结构的有限元模拟与分析，可得到如下结论:

图12 槽钢结构的Mises应力云图Fig.12 The Mises stress nephogram of channel structure

(1)吸收塔底部平板和槽钢结构相焊接的外圆周产生的变形和应力相对其他位置都偏大，因此其强度和刚度都是整个结构相对较弱的地方。

(2)吸收塔底板和槽钢的最大位移分别为0.15 mm和0.11 mm，发生在底部最短槽钢的外侧，即与平板焊接的外边缘处，且有限元分析结果与实验测试结果非常相似，说明有限元模拟的变形分布规律是正确可信的。

(3)吸收塔底板与槽钢结构的最大Mises应力为，该应力值已经超过设计温度下Q235-B材料的许用应力值113 MPa，因此该结构发生断裂或拉伤的可能性很大，这与试验结果也是比较吻合的。

［1］博弈创作室.APDL参数化有限元分析技术及其应用实例［M］.北京:中国水利水电出版社，2004.

［2］牛飞，盛宏玉，徐伟荣.三门峡发电厂600MW机组烟气脱硫塔有限元分析［J］.合肥工业大学学报:自然科学版，2008，31(3):423-426.

［3］李琪，龚健.基于API规范的烟气脱硫吸收塔有限元分析［J］.工业建筑，2009，39(1):576-578.

［4］王晓斌.基于ANSYS的槽钢辊弯成型过程有限元分析［J］.机电信息，2011，11(18):163-164.

［5］陈连生，谷辉格，张大伟，等.工程机械用类槽钢矫直工艺有限元模拟［J］.河北联合大学学报:自然科学版，2014，36 (2):46-50.

［6］姚宏康，闫志杰，党淑娥.Zr55Al10Cu30Ni5块体非晶合金轧制塑性变形三维有限元分析［J］.太原科技大学学报，2012，33(4):311-316

Finite Element Simulation Analysis of Channel Structure at the Bottom of Absorber Tower

LIU-Chao，TIAN Ya-qin，HUANG Qing-xue，XUE Xiao-hui
(Taiyuan University of Science and technology，Taiyuan 030024，China)

Absorber tower is one of the important equipments in the fields of chemical and environmental protection，and its bottom channel structure can guarantee the requirements of static strength and seismic performance ofabsorber tower.In this paper，the finite element model of absorber tower and its bottom channel structure was established by using ANSYS software，and its structural static strength analysis was performed.The distribution rule of stress and displacement for the bottom plate and channel structure was obtained，and the stiffness and strength check was finished.The results show that the deformation and stress at the weld location between the outer circumference of bottom plate and channel structure is larger than those at other locations，the maximum displacement is 0.15 mm，the maximum Mises stress is 146 MPa，and it exceeds the allowable stress value 113 MPa of Q235-B under the design temperature.The weld location between the outer circumference of bottom plate and the channel structure has a large likelihood of fracture or injury，and the finite element simulation results match the experimental results well.

absorber tower，channel structure，finite element analysis，stress intensity

TH114

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2015.02.014

1673-2057(2015)02-0150-05

2014-12-10

太原科技大学博士启动基金项目(20122003)

刘超(1988-)，男，硕士研究生，主要研究方向为型钢矫直原理及有限元模拟。