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1、摘 要在化工生产中，分馏塔承受筒体内压、自重、风载荷和地震载荷的作用容易产生载荷振动和诱导振动。当振动频率接近于塔的自振频率时，塔就会发生共振、可能导致设备的破坏。因此，如何减小塔设备受风力作用而产生的诱导振动造成严重的危害，提高塔设备的抗振能力都是需要在设计时予以考虑的问题。本论文的题目是“基于ANSYS的柴油分馏塔的固有频率的计算”。本文以柴油分馏塔为研究对象，应用ANSYS有限元软件对设备进行了固有频率的计算，首先采用SHELL63单元建立分馏塔的三维实体模型，然后用自由分网的方法对其进行网格划分，施加约束和载荷，最后应用模态分析功能求解出柴油分馏塔的固有频率和振型。然后利用集中质量法假
2、设把均布质量作为一个与之相当的集中质量放置在塔的顶端，根据动能平衡的原理以及虚梁法可以确定不等截面悬臂梁式柴油分馏塔自振周期。这一结果表明基于ANSYS的有限元法对柴油分馏塔自振周期的计算准确性高，计算方便，为工程上其他复杂模型固有频率的计算提供了方法依据。关键词：ANSYS；柴油分馏塔；固有频率；振型AbstractIn chemical production, fractionation tower were prone to vibration and induced vibration loads beacause of withstanding the body cylinder p
3、ressure, dead weight, wind loads and seismic loads. When the vibration frequency close to the tower natural frequency, the tower resonance occurs, which may result in equipment damage. Therefore, how to reduce the damage due to wind-induced vibration effect to improve the towers vibration capabiliti
4、es are required to be considered in the design. The thesis is calculations of diesel distillation tower natural frequency on ANSYS , and mainly study for the diesel distillation column. First, I apply SHELL63 element in finite element software ANSYS to establish three-dimensional solid model of dist
5、illation tower, and then to mesh and impose constraints and loading, modal analysis, and finally solve the diesel distillation tower natural frequencies and mode shapes. Then assume the uniform quality as an equivalent concentrated mass placed in the towers top based on Lumped mass method, and deter
6、mine the natural cycle of diesel fractionator according to the principle of kinetic energy balance as well as virtual cantilever beam method. The results show that iesel fuel distillation column calculation of the natural cycle based on the ANSYS finite element method is of high accuracy, easy to ca
7、lculate, providind a method of calculating the natural frequency for the other complex models. Key words：ANSYS；Diesel fractionator tower；Natural frequency of vibration；Vibration model目 录第1章 绪 论11.1 本课题的研究背景及意义11.2 ANSYS软件主要功能11.3 ANSYS软件简介21.3.1 ANSYS的使用环境21.3.2 有限元方法简介31.4 分馏塔的简介41.4.1 分馏塔的特点41.4.2
8、 分馏塔的工作过程41.4.3 分馏塔分析计算的条件5第2章 分馏塔实体模型的建立62.1 实体造型简介62.2 ANSYS的坐标系62.3 建模的原则82.4 建模的步骤82.4.1 环境设置82.4.2 初始化设计变量92.4.3 定义单元类型92.4.4 定义材料属性：92.4.5 定义实常数112.4.6 创建塔的几何模型112.5 命令流分析过程14第3章 有限元模型的建立173.1 基础知识173.1.1 网格类型173.1.2 选择实体183.2 划分网格19第4章 模态分析224.1 模态分析224.2 模态提取法224.3 施加约束254.4 施加载荷254.5 求解284.
9、6 扩展模态284.7 模态分析结果294.8 后处理294.8.1 将数据结果读入数据库304.8.2 图像显示结果数据304.8.3 查看求解结果31第5章 自振周期的理论计算335.1 自振周期的影响及振型335.2 自振周期的表达式345.2.1 塔体分段345.2.2 不等截面塔设备自振周期计算公式355.3 自振周期的计算36第6章 结论39参考文献40致 谢42附 录：外文翻译43第1章 绪 论1.1 本课题的研究背景及意义露天安置的塔设备在风力作用下，将产生两个方向的振动。一种是由于不恒定的风力直接作用在塔体上，而产生的与风向相同的顺风向振动；另一种是由于风力绕过塔的两侧时形成
10、周期性出现相逸散的旋涡而产生的与风力方向垂直的横风向振动。前一种振动与风速的大小及其变化有关、称为风的载荷振动、是常规计的主要内容；后一种振动是根据说体力学理论计算的风的诱导振动。塔设备在风力作用下，当振动频率接近于塔的自振频率时，塔就会发生共振、可能导致设备的破坏。因此，塔设备受风力作用而产生的诱导振动以及如何减小因振动而产生的危害，提高塔设备的抗振能力都是需要在设计时予以考虑的问题。在历史上，由于忽略风对构件的诱导振动而发生过许多意外事故。最典型的事例是美国塔珂玛大桥因风诱发的振动产生共振后而被摧毁；在委内瑞拉也曾有一个大贮油罐；因共振而被损伤，至于工业上的烟囱、管道以及换热器的管束因此而
11、受到破坏或产生噪音的事例也时有所见。在考虑塔的振动时应力要求避免发生共振。近年来，随着我国石油、化工、冶金工业的不断发展，作为反应容器的塔设备的也得到了广泛的应用和迅速的发展。随着塔设备使用量的增加，诱发事故的可能性也在增加，因此塔设备的固有频率便成为设计和检验人员特别关注的问题。本文主要讨论风的诱导振动的产生与分析计算塔的自振周期，并使用有限元分析软件ANSYS就柴油分馏塔进行模态分析，求出塔的固有频率。以便更好的探讨塔设备的防振技术。1.2 ANSYS软件主要功能ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元软件，可广泛的用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、
12、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、生物医学、水利、日用家电等一般工业及科学研究。该软件提供了不断改进的功能清单，具体包括：结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分及利用 ANSYS参数设计语言扩展宏命令功能。它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor、IDEAS、AutoCAD等,是现代产品设计中的高级CAD工具之一。1.3 ANSYS软件简介ANSYS软件是由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS公司开发。软件主要包括三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。前处
13、理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型：分析计算模块包括结构分析(可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析)、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示(可看到结构内部)等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。以ANSYS为代表的工程数值模拟软件，是一个多用途的有限元法分析软件，它从1971年的2.0版本与今天的12.0版本已有很大的不同，起初它仅
14、提供结构线性分析和热分析，现在可用来求结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题的解答。它包含了前置处理、解题程序以及后置处理，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已成为现代工程学问题必不可少的有力工具。1.3.1 ANSYS的使用环境1.ANSYS架构及命令ANSYS构架分为两层，一是起始层（Begin Level），二是处理层（Processor Level）。起始状态可用来控制某些全局性的问题，如改工作文件名、清除数据库内的数据、复制二进制文件等，用户进入ANSYS后即处于起始状态。这两个层的关系主要是使用命令输入时，要通过起始层进入不同的处理器。处理器可视为解决问题步骤中的组合命令，
15、它解决问题的基本流程叙述如下：（1） 前置处理（General Preprocessor, PREP7） 建立有限元模型所需输入的资料如节点、坐标资料、元素内节点排列次序。 材料属性。 元素切割的产生。（2） 求解处理（Solution Processor, SOLU） 负载条件。 边界条件及求解。（3） 后置处理（General Postprocessor, POST1或Time Domain Postprocessor, POST26）。POST1用于静态结构分析、屈曲分析及模态分析，将解题部分所得的解答如：变位、应力、反力等资料，通过图形接口以各种不同表示方式把等位移图、等应力图等显示出来。POST26仅用于动态结构分析，用于与时间相关的时域处理。图1-1处理器间的转化2.文件管理ANSYS在分析过程中需要读写文件，文件格式为jobname.ext，其中jobname是设定的工作文件名，ext是由ANSYS定义的扩展名，用于区分文件的用途和类型，默认的工作文件名是file。ANSYS分析中有一些特殊的文件，其中主要的几个是数据库文件jobname.db、记录文件jobname.log、输出文件jobname.out、错误文件jobn
