矩形大开孔薄壁圆柱壳屈曲特性研究

论文摘要

大型火电厂烟气脱硫吸收塔属于薄壁圆柱壳钢结构，由于脱硫工艺的要求，壳体侧壁上开有矩形烟气进出口，由于孔洞的存在，壳体截面尺寸受到削弱，结构的几何连续性遭到破坏，在承受外部载荷作用时，孔口附近区域的薄膜应力将大幅度增加从而导致壳体屈曲荷载下降和极限承载能力降低。因此，研究开孔圆柱壳的屈曲问题对于保证钢结构整体体系的安全以及在保证安全的前提进行结构优化具有理论意义和实用价值。由于大型开孔壳体结构和受力形式比较复杂，并且影响其稳定性的因素较多，因此，用经典的解析方法精确求解壳体的临界荷载及屈曲模态十分困难，本文利用数值方法系统研究了矩形大开孔的薄壁圆柱壳体的稳定性能，对大型火电厂烟气脱硫塔结构的优化设计提供了理论支持。首先通过特征值屈曲分析了解结构的屈曲形状，预测屈曲荷载的上限。指出矩形开孔圆柱壳临界屈曲荷载的上限值远小于无开孔圆柱壳的下限值，这说明孔洞的存在，导致壳体屈曲荷载明显下降，严重影响了壳体的稳定性。其次通过几何非线性分析考察结构的荷载-位移全过程响应，并利用正交设计方法讨论了开孔宽度、开孔高度、轴向位置及圆柱壳的径厚比和高径比等几何参数对结构稳定承载力的影响，指出影响矩形开孔薄壁圆柱壳轴压下屈曲临界荷载的主要因素是圆柱壳的径厚比，临界荷载值随径厚比的增大迅速下降。加劲的存在往往会提高圆柱壳的屈曲承载能力，本文最后分析了加劲肋对矩形大开孔薄壁圆柱壳稳定性的影响。提出三种加劲环方案，分析不同型式加劲环对开孔壳体的加劲效果，指出在加劲环面积相等的前提下，T型加劲环的加劲效果最好；提出四种加劲板布置方案，通过分析考察各布置方案对提高结构稳定性的作用，指出采用板形完全加劲使得壳体的应力分布变得相对均匀，缓解了开孔上边界的应力集中，结构发生整体屈曲破坏。最后，根据本文研究结果，对临河电厂一期2×30万千瓦湿法烟气脱硫吸收塔提出优化建议，可减少结构用钢量，节约工程成本。鉴于我国目前脱硫塔设计没有专门的规范，文中所得结论对于脱硫塔塔身结构优化、烟气进出口尺寸及加固措施具有指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 结构屈曲问题
• 1.2.1 结构屈曲的几个基本概念
• 1.2.2 稳定问题的类型
• 1.2.3 结构稳定性判别准则
• 1.3 壳体的稳定性
• 1.4 研究目的及研究内容
• 2 薄壁圆柱壳稳定性理论
• 2.1 无开孔圆柱壳稳定性理论
• 2.1.1 圆柱壳状态方程的建立及其解答
• 2.1.2 轴压和外压共同作用下的解答
• 2.1.3 考虑内压影响的轴压圆柱壳的弹性屈曲
• 2.2 薄壁圆柱壳开孔问题的研究
• 2.2.1 开孔圆柱壳的薄壳理论解
• 2.2.2 开孔结构稳定性分析的理论和变分原理
• 2.3 加肋圆柱壳稳定性分析
• 2.3.1 考虑筋/板相互作用的环肋圆柱壳屈曲强度分析
• 2.3.2 开孔圆柱壳的加劲稳定性
• 3 轴压作用下矩形开孔薄壁圆柱壳的有限元分析
• 3.1 基于有限元软件 ANSYS 的稳定问题分析
• 3.1.1 ANSYS 中特征值屈曲的线性分析
• 3.1.2 ANSYS 中大变形屈曲的非线性分析
• 3.2 有限元模型的建立
• 3.2.1 分析模型
• 3.2.2 模型质量控制
• 3.2.3 单元选取及网格划分
• 3.3 开孔圆柱壳的特征值屈曲分析
• 3.3.1 特征值屈曲模态的 ANSYS 计算结果
• 3.3.2 特征值屈曲分析结论
• 3.4 开孔圆柱壳的非线性屈曲分析
• 3.4.1 结构分析中的非线性类型
• 3.4.2 几何非线性问题的有限元理论
• 3.4.3 计算模型的荷载-位移全过程响应
• 3.5 本章小结
• 4 几何参数对薄壁开孔圆柱壳稳定性的影响
• 4.1 几何参数的正交试验设计
• 4.1.1 正交设计方案的选取
• 4.1.2 几何参数的正交优化设计
• 4.2 正交试验结果分析
• 4.2.1 试验结果的极差分析
• 4.2.2 开孔几何参数分析
• 4.3 本章小结
• 5 局部补强措施对矩形开孔圆柱壳稳定性的影响
• 5.1 加劲方案的确定
• 5.2 不同型式加劲环的加劲效果分析
• 5.2.1 箱型加劲环的加劲效果
• 5.2.2 半圆壳型加劲环的加劲效果
• 5.2.3 T 型加劲环的加劲效果
• 5.2.4 加劲环加劲效果小结
• 5.3 加劲板加劲效果分析
• 5.3.1 开孔范围纵向加劲的影响
• 5.3.2 开孔范围横向加劲的影响
• 5.3.3 纵向加劲延伸对开孔壳体稳定性的影响
• 5.3.4 完全加劲后壳体稳定性分析
• 5.4 本章小结
• 6 矩形大开孔薄壁圆柱壳屈曲性能研究的工程应用
• 6.1 项目概况
• 6.2 工程考察结果
• 6.3 工程应用
• 6.3.1 原设计方案的有限元分析
• 6.3.2 优化方案设计
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢