玻璃钢复合材料烟囱结构设计的精细有限元方法.pdf

２０１３年第６期玻璃钢／复合材料２７玻璃钢复合材料烟囱结构设计的精细有限元方法王应军，赵应，何福添，陈建中（武汉理工大学理学院，武汉４３００７０）摘要：对于玻璃钢烟囱的设计我们国家还没有相应的规范，只是参考钢烟囱、钢混烟囱以及砖石结构烟囱等设计方法。这些方法将玻璃钢烟囱视作各向同性的悬臂梁，无法表达复合材料结构的特点，因此具有很大的局限性，难以完成局部分析。本文借助有限元方法，建立玻璃钢烟囱的精细有限元模型，按照荷载组合，进行结构的有限元分析，得到结构局部的应力应变—状态，然后按照各向异性复合材料层合壳理论对玻璃钢烟囱进行强度分析，应用Ｔｓａｉｗｕ强度比理论对烟囱结构进行了校核，达到了比较好的效果。关键词：玻璃钢烟囱；层合壳；有限元；强度比中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ———文章编号：１００３０９９９（２０１３）０６００２７０４玻璃钢是以玻璃纤维为增强材料与各种树脂复合而成的一种新型复合材料（Ｇｌａｓｓｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｏｌｙｍｅｒ，缩写为ＧＦＲＰ或ＦＲＰ），玻璃钢烟囱造价低、制作周期短、寿命长、加工方便、安装简单、质量轻、强度高、内外表面光滑、抗老化性能与在高温下耐腐蚀性能优良，而且可以很方便地增加喷淋器、过滤网等用以吸收烟气中的有害成分。玻璃钢烟囱的主体部分是由缠绕工艺制成的，缠绕成型的玻璃钢制品由层合结构组成。玻璃钢烟囱现广泛应用在电力、化肥、化工、冶炼、石油等行业，作为腐蚀性或高温烟气的处理设备¨。国外经过多年的研究和工程实践，玻璃钢烟囱的设计、制造和安装等方面的标准都逐步完善。美国材料与试验学会在１９９３年发布了专门用于燃煤电厂玻璃钢排烟筒设计、制作和安装的标准指南ＡＳＴＭＤ５３６４，该标准分别在２００２年和２００８年进行重新修订。ＡＳＴＭＤ５３６４－２００８对玻璃钢烟囱的适用工况、选材、设计计算方法、制作安装、质量控制和检验等方面进行了详细的规定，是目前玻璃钢烟囱设计依据的主要规范。国际工业烟囱协会ＣＩＣＩＮＤ在２００９年４月也发布了玻璃钢排烟筒的模式规范Ｌ８Ｊ。该规范总结了玻璃钢烟囱研究和工程实践的最新成果，详细规定了玻璃钢烟囱选材、设计计算、质量控制方面的内容，同时给出了ＦＲＰ排烟筒的设计实例，提供了主要节点的典型工程构造。该规范的出台必将推动玻璃钢烟囱设计和应用的规范化。但是，这两个规范针对烟囱的结构设计都是基于烟囱作为一个各向同性材料的悬臂梁来考虑的，通过荷载的作用计算出简体截面的弯矩、剪力和轴力（Ｍ、Ｑ、Ｎ），然后进行截面的设计。这种设计方法最主要的问题是无法确定结构局部的受力状态，特别是对于分层的复合材料结构，没有考虑玻璃钢复合材料的特殊性和复杂性，难以完成精细的分析。国内关于纤维增强塑料材料的试验标准已经完备，但国内对玻璃钢烟囱设计研究相对较少，工程实践也十分有限，目前仍没有专门的规范。在设计时只是参考其它烟囱设计规范Ｊ。玻璃钢结构设计规范主要是化工行业标准《玻璃钢／聚氯乙烯（ＦＲＰ！ＰＶＣ）复合管道设计规定》（ＨＧ２０５２０．１９９２）¨。。和—《玻璃钢化工设备设计规定》（ＨＧ／Ｔ２０６９６“１９９９），这两个标准可供玻璃钢结构设计参考。但玻璃钢烟囱的使用条件和结构特点与化工设备有较大不同，化工行业标准难以直接引用。本文针对某工程应用的高６０ｍ的玻璃钢烟囱，应用大型有限元分析软件ＡＮＳＹＳ建立了结构的玻璃钢烟囱的精细有限元模型，按照各种荷载组合，进行结构的有限元分析，然后按照各向异性复合材料—层合壳理论对玻璃钢烟囱进行强度分析，应用Ｔｓａｉｗｕ强度比理论对烟囱结构进行了校核。１复合材料层合壳单元的模拟由于ＦＲＰ玻璃钢烟囱的主体部分是通过缠绕完成的壳体结构，可以应用复合材料的层合壳来进收稿日期：２０１２－１２＿２５本文作者还有尚云东。基金项目：国家自然科学基金（１１１０２１４２）作者简介：王应军（１９６７一），男，工学博士，副教授，主要从事计算力学，ｗｙｊ９５９５０＠１２６．ｔｏｍ。２８玻璃钢复合材料烟囱结构设计的精细有限元方法２０１３年９月行模拟。ＡＮＳＹＳ程序中的ＳＨＥＬＬ１８１单元是用于复合材料层合壳结构分析比较好的单元之一。ＳＨＥＬＬ１８１适合分析薄及中等厚度的板壳结构，一个单元有四个节点，每个节点有六个自由度，即沿ｘ，Ｙ，ｚ方向的移动自由度和转动自由度。ＳＨＥＬＬ１８１支持线性，大扭转和大应变，变厚度非线性分析。它既能用完全法也可用缩减法，可用于分布载荷及应力刚化。ＳＨＥＬＬ１８１可用于多层材料模型，壳单元的截面定—义了垂直于壳ｘＹ平面的形状，通过截面命令可以定义壳体厚度ｚ方向连续层，每层的厚度、材料、铺层角度及积分点数都可以不同。这样可以完全用来分析层合壳结构。采用交叉缠绕铺层，共铺５０层，具体铺层方案如表１所示。抽取烟囱的部分铺层方式如图１所示。表１铺层方案Ｔａｂｌｅ１Ｌａｙｅｒｓｔａｃｋｉｎｇ铺层方向／。铺层数／层铺层方向／。铺层数／层图１烟囱的部分铺层Ｆｉｇ．１Ｐａｒｔｏｆｐｌｙｓｔａｃｋｉｎｇｏｆｔｈｅｃｈｉｍｎｅｙ２玻璃钢烟囱结构２．１场地条件烟囱地处南方，不考虑雪压。基本风压为０．３５ｋＮ／ｍ。场地１００年不遇的龙卷风达８０ｍ／ｓ。℃现场温度：最高温度为３７．９，最低温度为一℃１．８。Ⅱ场地类别为类，结构设防抗震烈度为８度，地震分组为一组。查《建筑抗震设计规范》（ＧＢ５００１１－２００１）¨，场地特征周期Ｔｇ：０．３５ｓ，多遇地震时水…平地震影响系数最大值ｏ／＝０．１６，而罕遇地震时水平地震影响系数最大值＝０．９。结构的阻尼比取７％。ｉ’６２．２烟囱结构整个玻璃钢烟囱高６０ｍ，水平长１５ｍ，它包括ｑｂ３０００水平段、ｑｂ３０００竖直段（包括弯头）、软接头、固定支架、导向支撑、检修平台、仪表平台以及斜拉锚索等构件组成的结构，如图２所示。图２烟囱整体模型Ｆｉｇ．２Ｗｈｏｌｅｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｃｈｉｍｎｅｙ水平管道的壁厚为２５ｍｍ，竖直管道壁厚由下—到上为３０２５ｍｍ逐渐变化。并且管道每隔一段距离都配有加强筋以增强结构的刚度。整个模型采用ＡＮＳＹＳ有限元分析软件建立。模型包括烟囱、支撑架、烟囱内外各种附加结构、与其它固定物体的连接等。模型中严格按照实际结构形式，设置边界条件、接触形式和制定约束方程。根据各个部件的具体情况，选用不同的单元形式来模拟，具体见表２。表２选用单元说明Ｔａｂｌｅ２Ｅｌｅｍｅｎｔｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ注：１一竖直管道；２一各处钢板；３－支架连接的钢梁、两个平台、取样管等；４－两根斜拉的锚杆。２．３设备材料参数各部分材料的力学参数见表３和表４。竖直管道部分是由３节连接而成，连接部分的法兰盘是经过手糊成型的，所用的玻璃纤维和树脂的体积份量有些差异，所以有些参数与缠绕成型的是不一样的。这些数据是经过计算后取的平均值。２０１３年第６期玻璃钢／复合材料２９袁３玻璃钢材料的力学性能Ｔａｂｌｅ３ＭｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＦＲＰ表４钢材力学参数Ｔａｂｌｅ４Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓｔｅｅｌ２．４设计要求（１）玻璃钢的强度要求玻璃钢是一种典型的各向异性复合材料，它的强度校核是按照复合材料层合壳的Ｔｓａｉ．Ｗｕ理论进行，并使结构强度比满足：Ｒ：１．６（１）其中，为层合壳的强度比。’‘ＧＦｘｏｒ：＋２ｙｏｒｙ＋Ｆｙｙｏｒ；－４－ＦｓｓｏｒＨ＝Ｆ＋Ｆｙｏｒｙ＝＝一＝Ｆｓｓ＝１＝ｉ１一１：专一（２）（２）钢结构的强度要求依据《ＧＢ５００１７．２０１０钢结构设计规范》¨，对于Ｑ２３５钢板的抗拉、抗压、抗弯强度设计值２１５ＭＰａ，抗剪强度设计值１２５ＭＰａ。（３）焊缝的强度要求连接焊缝按照对接焊缝的抗拉、抗压和抗弯强度设计值２１５ＭＰａ，抗剪强度设计值１２５ＭＰａ的要求进行；角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值为１６０ＭＰａ。３荷载组合根据烟囱结构服役条件及要求，烟囱结构的自重和温度荷载为永久荷载，正常风荷载为可变荷载，而龙卷风和地震作为偶然荷载考虑，总共考虑了４种工况，如表５所示。袁５工况类型Ｔａｂｌｅ５Ｃａｓｅｓｏｆｌｏａｄｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｓ注：Ｄ－结构自重等水久荷载；Ｔ一温度荷载；Ｗ一正常风荷载；Ｅ１一多遇地震作用；Ｅ２－罕遇地震；Ｑ一表示龙卷风作用。前面的数值为分项系数。４计算结果与分析通过计算得到各工况下的结果。工况３为最不利状态，工况４次之，以下分析结果都以这两个工况为例。对于钢材、焊缝等各向同性材料可以按照第四强度理论的等效应力进行校核。而玻璃钢烟囱按照复合材料结构进行强度校核。提取工况３和工况４情况下烟囱层合壳各层的强度比倒数云图，发现第３５层的强度比倒数最小，分别如图３和图４所示，表６为最小强度比值。计算结果可以看出，在罕遇地震作用下，玻璃钢复合材料烟囱的强度比最小值为７．１５，大于规范规定的１．６，因此烟囱结构是完全满足要求的。＾Ｎ图３工况３时竖直烟囱强度比倒数Ｆｉｇ．３Ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌｏｆｓｔｒｅｎｇｔｈｒａｔｉｏｏｆｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌｃｈｉｍｎｅｙｕｎｄｅｒｃａｓｅ３｜嫩｜蠢：３０玻璃钢复合材料烟囱结构设计的精细有限元方法２０１３年９月＾Ｎ图４工况４时竖直烟囱强度比倒数Ｆｉｇ．４Ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌｏｆｓｔｒｅｎｇｔｈｒａｔｉｏｏｆｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌｃｈｉｍｎｅｙｕｎｄｅｒｃａｓｅ４表６烟囱３５层最小强度比Ｔａｂｌｅ６Ｓｍａｌｌｅｓｔｓ￣ｅｎｇｔｈｒａｔｉｏｏｆｔｈｅ３５ｔｈｐｌｙｏｆｔｈｅｃｈｉｍｎｅｙ工况号最小强度比３４７．２７．１５５结语通过ＡＮＳＹＳ建立了玻璃钢复合材料烟囱结构的精细有限元模型，计算了各种工况下结构的响应，得到了结构各个部位的应力和变形，按照各向异性的复合材料层合壳理论对玻璃钢烟囱进行了强度分析。玻璃钢复合材料的强度比最小值为７．１５，大于规范规定的１．６，因此烟囱结构是完全满足要求的。参考文献［１］陈建桥．复合材料力学概论［Ｍ］．北京：科学出版社，２００６．［２］郑澎．风电叶片用环氧树脂固化动力学特性及力学性能的研究［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１１，（２）：８一ｌ１．［３］张阿樱．碳纤维／环氧树脂层压板疲劳性能研究进展［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１０，（１０）：７０－７３．［４］李玮．碳纤维复合材料强度的有限元模拟［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１１，（１）：２０－２３．［５］尹星研．基于ＭＳＣ．ＮＡＳＴＲＡＮ的无人机复合材料机翼有限元分析［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１０，（１）：３－６．［６］刘润泉．夹层复合材料的弯曲理论分析与计算方法研究［Ｊ］＋玻璃钢／复合材料，２００６，（１１）：６－９．［７］ＡＳＴＭＤ５３６４￣００８，带燃煤装置的玻璃纤维增强塑料烟囱衬里的设计、制造及安装指南［ｓ］．［８］ＣＩＣＩＮＤ－２００９，烟囱设计规范［ｓ］．［９］ＧＢ５００５１－２００２，烟囱设计规范［ｓ］．［１Ｏ］ＨＧ２０５２０－１９９２，玻璃钢／聚氯乙烯（ＦＲＰ／ＰＶＣ）复合管道设计规定［ｓ］．［１１］ＨＧ／Ｔ２０６９６．１９９９，玻璃钢化工设备设计规定［ｓ］．［１２］龚曙光．ＡＮＳＹＳ基础应用及范例解析［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００３．［１３］ＧＢ５００１１－２０１０，建筑抗震设计规范［ｓ］．［１４］ＡＮＳＩ／ＡＳＭＥＲＴＰ－１－２０００，ＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＴｈｅｒｍｏｓｅｔＰｌａｓｔｉｃＣｏｒｒｏｓｉｏｎＲｅｓｉｓｔａｎｔＥｑｕｉｐｍｅｎｔ［Ｓ］．［１５］ＧＢ５００１７－２０１０，钢结构设计规范［Ｓ］．ＡＮＡＬＹＳＩＳｏＮＲＥＦＩＮＥＤＦＩＴＥＥＬＥＭＥＮＴＭＥＴＨｏＤｏＦⅡＧＬＡＳＳＦｍＥＲＲＥＩＮＦｏＲＣＥＤＰｏＬＹＭＥＲＣＨＮＥＹ——ＷＡＮＧＹｉｎｇ－ｊｕｎ，ＺＨＡＯＹｉｎｇ，ＨＥＦｕｔｉａｎ，ＣＨＥＮＪｉａｎｚｈｏｎｇ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＳｃｉｅｎｃｅ，ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｉｎｃｅｔｈｅｒｅａｒｅｎｏｔｍａｎｙｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｄｅｓｉｇｎｆｉｂｅｒ－ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ－ｐｌａｓｔｉｃ（ＦＲＰ）ｃｈｉｍｎｅｙｉｎＣｈｉｎａ，ＳＯｓｐｅｃｉｆ—ｉｃａｔｉｏｎｓｏｎｓｔｅｅｌｃｈｉｍｎｅｙ，ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｃｈｉｍｎｅｙａｎｄｍａｓｏｎｒｙｃｈｉｍｎｅｙａｒｅｅｍｐｌｏｙｅｄｔｏｄｅ—ｓｉｇｎＦＲＰｃｈｉｍｎｅｙ．Ｈｏｗｅｖｅｒ．ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｈａｓｍａｎｙｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ：ｆｏｒＦＲＰｃｈｉｍｎｅｙｉｓｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄａｓｔｈｅｉｓｏｔｒｏｐｉｃｃａｎ—ｔｉｌｅｖｅｒｍｏｄｅｌｗｈｉｃｈｈａｓｎｅｇｌｅｃｔｅｄｃｈａｒａｃｔｅｒｓｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ＳＯｉｔｇｈａｒｄｔｏｍａｋｅｌｏｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒａｌａｎａｌｙｓｉｓ．Ｉｎｔｈｉｓａｒ——ｔｉｃｌｅ，ａｓｏｐｈｉｓｔｉｃａｔｅｄｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆＦＲＰｃｈｉｍｎｅｙｉｓｂｕｉｌｔ，ｔｈｅｎｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｒｅｓｐｏｎｓｅｓｕｎｄｅｒｍｕｈｉｌｏａｄｉｎｇｃａｓｅｓａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｃｕｒｒｅｎｔｃｏｄｅｓａｒｅｐｅｒｆｏｒｍｅｄ．ＳｔｒｅｓｓａｎｄｓｔｒａｉｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｌｏｃａｌａｒｅａｏｆＦＲＰｃｈｉｍｎｅｙａｒｅ—ｏｂｔａｉｎｅｄ，ａｎｄｓｔｒｅｎｇｔｈａｎａｌｙｓｅｓａｒｅｐｒｏｃｅｅｄｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｌａｍｉｎａｔｅｄａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｈｅｌｌｔｈｅｏｒｙａｎｄＴｓａｉＷｕｆａｉｌｕｒｅｃｒｉｔｅｒｉａ．Ｔｈｉｓｗａｙｃａｎｒｅａｌｉｚｅｍｏｒｅｅｘａｃｔｄｅｓｉｇｎｔｈａｎｔｈｅｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｍｅｔｈｏｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＦＲＰｃｈｉｍｎｅｙ；ｌａｍｉｎａｔｅｄｓｈｅｌｌ；ＦＥＭ；ｓｔｒｅｎｇｔｈｒａｔｉｏ睡瓣