D0I:10.13374/i.issn1001053x.2003.041.023 第25卷第4期 北京科技大学学报 Vol.25 No.4 2003年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2003 污水处理塔加固环强度的有限元数值模拟 李安贵”宋存义)卢晋福》刘洪波) 1)北京科技大学应用科学学院，北京1000832)北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 摘要对加固环的受力分布情况进行了分析，用有限元法对其受力强度进行了数值计算 结果表明，加固环应该处于污水处理塔柱体与锥体的连接处，且加固环的横截面积A≥45cm2 时，即可保证污水处理塔工作的稳定性和安全性， 关键词加固环：强度：有限元法；数值分析 分类号X703.3 加固环是污水处理的主要设备导流沉降塔 接处，径向曲率半径p很小，其基本方程四为： 的支撑结构，起着承上启下加固沉降塔的作用 8+0贵 (1) 因此加固环尺寸的大小、结构强度对沉降塔的稳 其中，σ，2分别表示壁内环向和轴向应力，q为接 定性和安全性有直接的影响，本文对加固环的受 触面压强，h为壁厚.在圆柱体和圆锥体的结合部 力分布情况进行了分析，并对其受力强度进行了 数值计算和模拟，期望对设备的设计提供科学依 p=n,其值很小，因而>得.所以此处为负值， 据，达到优化设计、减少设备体积、节省材料、降 即在薄壁容器曲率急剧变化时，竖直截面上出现 低成本的目的 压应力，而一般薄壁容器抗压失稳能力较低，工 作时有出现失稳破坏的可能性冈，因此在连接处 1加固环的应力分布有限元模拟 增加一个较厚的圆环用以加强导流沉降塔的稳 定性，称该环为支撑环或加固环. 11基本理论及设计公式 1.2有限元模拟 由于导流沉降塔的主要部件为薄壁容器，上 为了比较精确地估算薄壁容器薄弱环节的 部为柱体，下部为锥体（见图1），在其上下部连 应力状态，用有限元法对薄壁容器和加固环的应 力分布进行了数值模拟，以下为用Ansys6(.1程 序模拟过程及结果 (1)建立模型.导流沉降塔结构尺寸：圆柱体 圆柱体 直径D=8.2m,圆柱体高H=3.6m,塔壁厚h=10 mm,圆维体高从≈品=32m,圆锥角a=5识 由于沉降塔具有对称性，取1/4塔身进行网 格离散，塔身采用壳单元，加固环采用梁单元，如 图2所示. 加固环 圆锥体 (2)载荷及约束状况.底面为固定约束，左右 两截面分别施加y方向和z方向约束，并在交界处 图1沉降塔塔身示意图 (环与钢筋连接处)将其固定.自底部起施加水压 Fig.1 Schematic of the precipitating tower 载荷。 (3)变形及应力分布，塔身变形后如图2所示. 收稿日期200306-10 李安贵男，52岁，教授 通过计算可得应力分布为：上端为压应力，最大 ★国家自然科学基金资助项日N0.60074034)
第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 污水处理塔加 固环强度 的有限元数值模拟 李安 贵 ” 宋存 义 ” 卢晋福 ” 刘 洪 波 ” 北 京科技大 学应用科学 学 院 ， 北 京 北 京科技大 学 土 木与环境 工 程 学 院 ， 北京 摘 要 对 加 固环 的受 力 分布情 况进行 了分析 ， 用 有 限元法 对 其 受 力强 度 进行 了数值计 算 结果 表 明 ， 加 固环 应该 处 于 污 水处 理塔 柱 体 与锥体 的连 接 处 ， 且 加 固环 的横 截面积 之 耐 时 ， 即可 保 证污 水 处理 塔 工 作 的稳 定性 和 安 全 性 关键 词 加 固环 强度 有 限元 法 数 值 分析 分 类号 加 固环 是 污 水 处 理 的 主 要 设 备 导 流 沉 降塔 的支撑 结构 ， 起 着 承 上 启 下 加 固沉 降塔 的作 用 因此加 固环 尺 寸 的大 小 、 结构 强度 对 沉 降塔 的稳 定性和 安全 性 有直 接 的影 响 本 文对 加 固环 的受 力分 布情 况 进 行 了分析 ， 并对 其 受 力 强度 进 行 了 数值计 算 和 模 拟 ， 期 望 对 设 备 的设 计 提 供科 学 依 据 ， 达 到 优 化 设 计 、 减 少 设 备 体 积 、 节 省 材 料 、 降 低 成 本 的 目的 接 处 ， 径 向 曲率 半 径 很 小 ，其 基 本 方 程 为 卫 卫 生 加 固环 的应 力分 布有 限 元 模 拟 基 本 理 论 及 设 计 公 式 由于 导流沉 降塔 的主 要 部件 为 薄 壁 容器 ， 上 部 为 柱 体 ， 下 部 为 锥 体 见 图 ， 在 其 上 下 部 连 圆柱体 加固环 圆锥体 图 沉降塔塔身 示 意 图 · 收稿 日期 一 李 安贵 男 ， 岁 ， 教授 国家 自然科学基金 资助 项 目 其 中 ， 伪 ， 氏 分 别 表 示 壁 内环 向和 轴 向应 力 ， 为接 触 面压 强 ， 为壁 厚 在 圆柱体和 圆锥 体 的结合 部 ， 一 ， 其 值 很 小 ， 因 而令借 所 以此 处动负值 ， 即在 薄 壁 容器 曲率 急剧 变 化 时 ， 竖 直截面 上 出现 压 应 力 ， 而 一 般 薄 壁 容器 抗 压 失稳 能 力较低 ， 工 作 时有 出现 失 稳破 坏 的可 能性 价，， 因此 在连接 处 增 加 一 个 较 厚 的 圆环 用 以加 强 导 流 沉 降塔 的稳 定 性 ， 称 该 环 为支 撑 环 或 加 固环 有 限 元模 拟 为 了 比较 精 确 地 估 算 薄 壁 容 器 薄弱 环 节 的 应 力状 态 ， 用 有 限元 法对 薄壁 容器和 加 固环 的应 力 分 布 进 行 了数值 模 拟 以下 为用 ‘ 程 序 模 拟 过 程 及 结 果 建 立 模 型 导 流 沉 降塔 结 构 尺 寸 圆柱体 直 径 ， 圆柱 体 高 ， 塔 壁 厚 ‘ 、 ， ， 一 ， ， “ ‘ ， 圆锥体 高从二若兰丁 ， 圆锥角 二 一 ’ 护 卜 ‘ 丁 ’ 、 一 ‘ 助口 一 ’ 一 一 ’ ， 卜 ’ 一 ‘ ’ 由于 沉 降塔具 有 对 称 性 ， 取 塔 身进 行 网 格 离散 塔 身采 用 壳单元 ， 加 固环 采用 梁 单元 ， 如 图 所 示 载 荷 及 约 束状 况 底 面 为 固定 约束 ， 左 右 两 截 面 分 别 施 加夕方 向和 方 向约 束 ， 并 在 交 界 处 环 与 钢 筋 连 接 处 将 其 固定 自底 部 起 施 加 水 压 载 荷 变 形及 应 力分 布 塔 身变形 后 如 图 所 示 通 过 计 算可 得 应 力 分 布 为 上 端 为压 应 力 ， 最 大 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2003．04．023
VoL.25 No.4 李安贵等：污水处理塔加固环强度的有限元数值模拟 ·383 ANSYS =16.2MPa,故加固环横截面上内力为N: N.-Dhonsina-524.88KN. 由于A3钢a,-230MPa,若取n=2,则其许用 应力[σ]=115MPa,加固环所需横截面面积 4告=45m 2结论 (1)加固环应该处于柱体与锥体的连接处，方 能起到应起稳固作用.(2)柱体的8个作用力对加 图2塔身变形后示意图 Fig.2 Illustration of the deformed mesh 固环的强度影响很小，所以可不予考虑.(3)加固 环只要在柱锥连接处有足够的横截面面积A≥45 值为-47.6MPa,下端为拉应力，最大值为65.4 cm时，既可保证其工作的稳定性，并且有足够的 MPa,如图3所示.经分析计算得出径向最大应力 强度储备， (a)ANSYS b)WY图 R品 .06 5.6 4413157.279 图3()环向应力和b)径向应力分布图 Fig.3 Distribution of circular stress(a)and radial stress(b) 参考文献 2范钦珊.压力容器的分析与强度计算M).北京：原 子能出版社，1979 1杨海涛.压力容器的安全与强度计算M.天津：天 3谭建国.使用ANSYS6.0进行有限元分析M.北京： 津科学技术出版社，1984 北京大学出版社，2002 Numerical Analysis of Strength for the Reinforcing Ring Assembling on a Sewage Disposal Tower LI Angut,SONG Cunyi2,LU Jinfu",LIU Hongbo" 1)Applied Science School,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China 2)Civil and Environmental Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT The distribution of internal stresses of the reinforcing ring assembling on a sewage disposal tower was analyzed by using the finite element method.The numerical results show that the reinforcing ring plays an im- portant role to prevent the bulking of the combined shell from hydrostatic pressure and to provide a reliable structure strength when its transversal area is larger than 45 cm2. KEY WORDS reinforcing ring;combined shell;finite element method;numerical simulation
李 安贵等 污 水 处 理 塔加 固环 强 度 的有 限元 数值模拟 一 一 丫 一 牛 几 一 又 一弓 共 一‘ 昌离奋妥洛声拐撰 丝 一 一 二 卜 一 一 、 黔 。 ， 故 加 固环 横 截 面 上 内力 为凡 、 一 如加 一 ‘ 以 由于 钢 氏 ， 若 取 ， 则 其 许 用 应 力 【司 巧 ， 加 固环 所 需横 截 面 面 积 之 下从竺不 件 几 口 图 塔 身 变形 后 示 意 图 咭 值 为 一 ， 下 端 为 拉 应 力 ， 最 大值 为 ， 如 图 所 示 经 分 析 计 算 得 出径 向最 大应 力 结 论 加 固环 应 该 处 于柱 体 与锥 体 的连接 处 ， 方 能起 到 应起 稳 固作用 柱 体 的 个 作用 力对 加 固环 的强度 影 响很 小 ， 所 以可 不 予 考 虑 加 固 环 只 要 在柱锥连接处 有足够 的横 截 面 面 积 ， 时 ， 既可 保证 其 工 作 的稳 定性 ， 并且 有足够 的 强 度 储 备 图 环 向应 力和 伪 径 向应 力分 布 图 · 参 考 文 献 杨海涛 压 力容器 的安全与 强度计 算四 天津 天 津 科学技术 出版 社 ， 范 钦珊 压 力 容器 的分析 与强度计算 北 京 原 子 能 出版 社 ， 谭建 国 使用 进行 有 限元 分析 北 京 北 京大学 出版社 ， 诬刀名拟’ ， 口刀 ， 晌 ， “ ， ， ， 叮 刊 ， ， ， 】 比切 耐 五