框架式塔设备的设计(共13页).doc

《框架式塔设备的设计(共13页).doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《框架式塔设备的设计(共13页).doc（13页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、精选优质文档-倾情为你奉上14化工设备与管道第41卷框架式塔设备的设计陆怡(江苏工业学院, 常州摘要采用材料力学中的叠加法计算自支承式塔设备顶部在风载荷作用下的挠度, 并通过对框架式塔设备的受力分析, 在塔和框架刚度的配合下, 得出将塔顶挠度限制在许用范围内时的支承处反力的大小, 用于塔设备的强度设计。关键词框架式塔设备塔顶挠度支承处反力 塔设备是化工、炼油、医药、食品及环境保护等工业部门中一种重要的单元操作设备, 塔设备大多安装在室外, 靠裙座底部的地脚螺栓固定在混凝土上。塔设备在操作时, 除承受介质压力外, 还承受各种重量、管道推力、偏心载荷、风载荷或地震载荷的联合作用。而塔设备在风载的作

2、用下, 塔顶必将产生一定的挠度, 若挠度过大, 对工艺操作有较大影响, 应予以控制。对于细高型的塔设备, 为了同时满足塔设备的强度要求和挠度要求, 塔壁厚度大大增加, 投资相应增加, 为了达到经济合理的目的, 一般可采用框架式支撑结构来降低塔体的壁厚, 同时满足挠度和强度要求, 框架高度大约在1/2塔高以上。结构如图1所示。此时的塔设备在支承处受到支反力的作用, 其设计方法应与自支承式塔设备有所不同。而在JB4710-92钢制塔式容器中未给出设计方法。本文将探讨带一个框架支承的塔设备的设计计算。符号:q i 塔设备第i 计算段的风压; P i 塔设备第i 计算段的水平风力; l i 塔设备第i

3、 计算段的长度;EI i 塔设备第i 计算段的抗弯刚度; H 塔设备总高度;Q i -1塔设备第i 计算段受到第i -1段对它的剪力; M i -1塔设备第i 计算段受到第i -1段对它的弯矩;y i 塔设备第i 计算段顶部在P i 、Q i -1、M i -1下的挠度; i 塔设备第i 计算段顶部在P i 、Q i -1、M i -1下的转角;wi -1塔顶由塔设备第i 计算段由i 引起的挠度;Y 塔设备无框架时, 塔顶的挠度; Y 塔设备有框架时, 塔顶的挠度; Y塔设备塔顶的许用挠度。图1框架式支承塔结构示意图1自支承式塔设备塔顶挠度计算由于随着高度不同, 塔设备各段所受的力也不同1,

4、因此塔顶的挠度难以用一端固支梁在均布载荷下的挠度公式求出, 须将塔设备分成若干段, 把每一段看作是一端固支的悬臂梁, 进行受力分析, 然后按照材料力学2中的叠加原理计算塔顶的挠度。塔设备受力及变形情况如图2所示。(a 无框架塔设备受力(b 框架式塔设备受力图2塔设备受力及变形分析示意图15 2004年第1期(下转第18页从图中可以看出, 自支承式无框架塔设备塔顶的挠度为Y=y 1+y 2+y 3+y i +w 1+w 2+w i -1(1其中w i -1是由第i 段顶部转角引起的, 求法在图2中已经标出, y i 和i 可以用固支梁在简单载荷下的变形加以叠加, 对第i 计算段中,P i 、Q

5、i -1、M i -1可以看作该段上的三种简单载荷, 因此可以运用叠加原理进行叠加, 叠加方程如表1所示。表1梁在简单载荷作用下的变形梁的简图端截面转角自由端挠度36EI =26EI (P =q l 48EI =38EI22EI 33EI EI22EI由于y i 、i 是由P i 、Q i -1、M i -1引起的, 所以y i =i2EI i 8+3+2(2 i =EI i6+2+M i -(3已知P i =q i l i , 剪力Q i -1、弯矩M i -1可以由静力平衡方程求得。即由力平衡Q 1=P 1, Q 2=Q 1+P 2, Q 3=Q 2+P 3, 依次类推Q i -1=Q i

6、 -2+P i -1(4由力矩平衡, M 1=P 1l 1/2, M 2=P 2l 2/2+Q 1l 2+M 1,M 3=P 3l 3/2+Q 2l 3+M 2, 依次类推M i -1=P i -1l i -1/2+Q i -2l i -1+M i -2(5 将式(4 、(5 代入(2 、(3 , 求出y i 、i , 再代入(1 式, 就可以得到自支承式无框架塔设备塔顶的挠度。2框架式塔设备受力分析与自支承式塔设备相比, 框架式塔设备在支承位置受到了框架的约束, 增加了支反力的作用, 因此在强度计算时有所不同, 必须考虑在内。两种塔设备的受力情况如图3所示。可以看出, (a 图中塔设备在自支

7、承时, A 处无支承, 受支反力N =0, 塔顶挠度可由(1 式求出, 如果塔设备为细高塔(DN 25, 或DN 1m , 且H/DN 303, 此挠度往往过大, 超过许用值。由于塔设备的挠度曲线可近似为抛物线, 此时L 1=HY 2, 而(b 图中, 塔设备采用框架支承,A 处受到约束反力N 的作用, 挠度受到了限制, 此时塔顶挠度Y 也随之减小。因此采用框架支承, 只要框架刚度适当, 就可以将塔设备的塔顶挠度控制在许用范围内, 即Y Y。图3采用材料力学方法, 利用变形协调关系, 可以获得支反力N , 塔设备刚度K 1及框架刚度K 2, 塔顶挠度Y 之间的关系。(a 图中,N =0, 支点

8、A 处塔的挠度L 1是由风载P 产生的, 此处P =K 1L 1(6(b 图中,N 0, 支点A 处塔的挠度L 2是由风载P 和支反力N 共同产生的, 故P -N =K 1L 2,(7 而此时框架上A 处受到反作用的支反力, 由变形协调, 该框架挠度也为L 2, 并满足N =K 2L 2(8 (6 、(7 、(8 三式联立, 得到N =K 1+K 2L 1L 2=K 1+K 2L 1=K 1+K 2HY2(9当要求Y Y 时, 只要使L 2L,L=HY 2。因此L 2=K 1+K 2L 1=K 1+K 2H Y 2HY 2即K 1+K 2Y 2(10从式(10 可以看出, 只要调整塔设备刚度K

9、 1及框架刚度K 2, 就能使塔设备满足挠度要求。由于塔设备刚度K 1与壁厚相关, 而壁厚又与受力情况及强度设计相关, 当K 1、K 2未定时, 支反力就无法确定。因此, 塔设备刚度K 1及框架刚度K 2的调整有一个过程, 需要反复计算, 以使两者达到比(a (b 18化工设备与管道第41卷的直径增大而呈逐渐减小的趋势。直径为195mm 时的最大第一主应力为42. 1MPa , 而直径为155时为68. 5MPa , 二者相差较大。而在管道内壁上, 第一主应力值的却随着补强板直径的增加而呈增大的趋势, 但是增加的幅度要小于外壁上随着直径增大而减小的幅度。从应力强度的角度看, 在管道内壁上, 随

10、着补强板直径的改变, 应力强度的值变化不大, 直径为195mm 的补强板对应的结果稍大。而从管道外壁上的应力强度值看, 随着补强板直径的增大, 管道外壁上的应力强度值呈增大的趋势, 且变化的趋势较明显。因此, 综合第一主应力和应力强度的分布结果看, 对于一定厚度的补强板, 采用尺寸较小的补强板应该更为合理, 小尺寸的补强板可以减小管道内壁上第一主应力值和减小管道外壁上的应力强度值。3补强板厚度对补强效果的影响3. 1模型的描述计算中采用的基本尺寸为, 管道:32510mm ,总长度取为10000mm; 支耳:895. 5mm , 总长度取为400mm; 补强板:补强板的尺寸采用圆形补强板, 它

11、的中间开孔, 孔的直径要比支耳管的内径略大, 在保证其直径为195mm 的前提下, 取补强板的三种厚度分别为7mm 、10mm 、13mm 。由于计算中采用的管道和支耳管的尺寸跟上一小节相同, 并且不计管道内液体的内压, 所以本节模型上所施加的载荷以及约束跟前小节相同。网格采用规则的六面体划分, 单元仍然选择SOLI D45八节点实体单元。3. 2计算结果分析可以看到, 对于直径一定的补强板, 增加补强板的厚度, 可以明显的改善管道外壁上的第一主应力的最大值, 管道外壁上的最大第一主应力随着补强板壁厚的增加而呈逐渐减小的趋势。但是对于管道内壁上的第一主应力值, 补强板壁厚的影响效果甚微。从管道

12、上应力强度的分布趋势来看, 随着补强板厚度的增加, 管道内外壁上的应力强度值都随之减小, 就是说对于一定直径的补强板, 采用较厚尺寸可以明显的改善管道内外壁上的应力强度分布情况。可见, 对于直径一定的补强板, 要想提高补强的效果, 应该优先考虑厚度大的补强板, 以利于提高补强的效果。表3在不同厚度补强板的补强下, 主管上的最大应力值补强板的直径(mm 最大第一主应力值(M Pa 和出现位置最大应力强度值(M Pa 和出现位置783. 7(管道外壁上 118(管道外壁上 41. 4(管道内壁上 85. 7(管道内壁上 1062. 3(管道外壁上 91. 6(管道外壁上 42. 17(管道内壁上

13、62. 8(管道内壁上 1352. 9(管道外壁上 72. 1(管道外壁上 40. 8(管道内壁上 46. 1(管道内壁上4结论(1 存在承重性支耳的管道除了在管道和支耳交接位置处管道外壁上存在着很大的应力集中之外, 在管道的内壁上也出现了应力强度和第一主应力很大的区域。(2 补强板的采用不仅使得管道外壁上的应力集中的情况得到很好的改善, 同时也会大大改善了管道内壁上的应力分布状况。(3 对于厚度一定的补强板来说, 采用较小尺寸的补强板可以得到相对较好的补强效果。(4 对于同一直径的圆形补强板来说, 它的厚度越大, 它对管道的补强效果就会越好。(上接第15页较理想的配合。然后再计算出框架处支反力, 画出塔设备的弯矩图, 对塔设备进行强度计算, 确定壁厚。3结束语两种类型的塔设备结构不同, 因此受力不同, 在设计时必须根据实际情况加以区分, 选用适合的方法进行。参考文献1郑津洋, 董其伍, 桑芝富, 过程装备设计M, 北京:化学工业出版社,2001. 3483492刘鸿文, 材料力学(上册 M.北京:高等教育出版社,1987. 23524441. 483. 742.1762.33Vol. 41No. 1专心-专注-专业