18塔架屈曲稳定性分析

塔架屈曲稳定性分析——实例讲解1纵向正应力屈曲计算分析切应力屈曲计算分析径向正力屈曲计算分析23坐标系说明本讲义中载荷均采用GL规范中定义的塔顶坐标系，其中x方向为风力方向，z为垂直向上。该坐标系一般为载荷计算报告中塔架载荷的默认坐标系，如有不同，需进行坐标系转换。一般来说，门框开口方向应垂直于主风向，这是为了充分保证塔架的强度安全。屈曲稳定性计算分析塔架一般由2~3个法兰段连接而成，每个法兰段又由多个焊接段组成。一个法兰就意味着一个径向位移约束。计算屈曲稳定性时，同样要考虑几个主载荷，弯矩Mxy、压力Fz、剪力Fxy、扭矩Mz。计算方法与塔架焊缝极限强度计算方法一致，区别是破坏准则变为屈曲失稳破坏，许用应力变为许用屈曲应力。4屈曲稳定性计算分析——应力计算SegmentNO.D_o_botD_o_toptSeg_hSec_hA_botA_topW_botW_topWt_botWt_top13500345022312525000底面面积顶面面积底面抗弯系数顶面抗弯系数底面抗扭系数顶面抗扭系数234503400223125250003340033502031252500043350330020312525000表中单位：mm截面相关参数的计算，可以参考DIN18800-4。5屈曲稳定性计算分析——应力计算压力与弯矩应力计算扭转与剪力应力计算可见，由于塔架的锥角影响，正应力计算需要一定的改进。当然，由于塔架锥角Q很小，可以适当的忽略。6屈曲稳定性计算分析——应力计算Segment.NO.Mxy_botMxy_topMz_botMz_topFxy_botFxy_topFz_botFz_top1150001450010051000650640-1300-1299214500130001000990640644-1299-129531300012900990990644639-1295-128041290012500990989639635-1280-1270表中数据为极限载荷，单位：kNm，kN相关载荷数据应由厂家提供.若数据量不够,可以简单内插进行估算。此外,可以均采用极限工况载荷分量进行计算。7屈曲稳定性计算分析——应力计算SegmentNO.σ_Mxy_botσ_Mxy_topτ_Mz_botτ_Mz_topτ_Fxy_botτ_Fxy_topσ_Fz_botσ_Fz_topVonMisesfykγ_Ext1Mxy_bot/W_botMz_bot/Wt_botFxy_bot*2/A_botFz_bot/A_botfyk/VonMises234表中单位：待定GL规范要求材料安全系数γ_m为1.1，所以γ_Ext应大于1.1。8屈曲稳定性计算分析——许用应力计算塔架选用材料一般为Q345或Q235,材料的力学参数可在相关GB中查找.9屈曲稳定性计算分析——许用应力计算屈曲许用应力的计算思路为：1、根据理想几何形貌计算理想屈曲应力。2、根据实际缺陷修正理想屈曲应力，得到实际屈曲应力。3、考虑局部安全系数，获得许用屈曲应力。10屈曲稳定性计算分析——许用应力计算我们以纵向正应力屈曲稳定性为例，进行理想屈曲应力到许用屈曲应力的求解推导。首先，应确定结构的边界条件，从DIN18800-4可以查到，对于法兰段来说，约束属于RB2-RB2，η=1。11屈曲稳定性计算分析——许用应力计算同样，我们以直筒作为研究对象进行分析。塔架一般为锥筒，求解时需要进行一些简单的修正，大家可以参考DIN18800-4自行修正。12屈曲稳定性计算分析——许用应力计算要从结构的几何参数确定是否需要进行屈曲稳定性计算。如果需要计算，那么结构属于短筒、长筒还是超长筒。不同的结构有不同的理想屈曲应力。13NOT该公式不成立时，表示需要计算壳体屈曲稳定性。超长筒时，DIN18800-4不再适用，改用DIN18800-2进行屈曲计算。屈曲稳定性计算分析14屈曲稳定性计算分析——许用应力计算考虑实际几何缺陷，计算实际屈曲应力。15屈曲稳定性计算分析——许用应力计算考虑局部安全系数，计算许用屈曲应力。16屈曲稳定性计算分析17门框焊缝计算分析——极限强度与环形焊缝、纵焊缝不同，门框焊缝的形状不规则，存在门洞的缺口效应，所以其应力状态比较复杂，因此，建议采用有限元方法进行分析。为了保证计算的精确，在门框附近网格的疏密程度存在一定要求，并且尽量采用六面体单元进行划分。其次，为了计算的准确，为了保证圣维南原理的适用，建立模型时，要求加载位置至少距离门框顶端2倍塔底直径。实际计算时，为了载荷便于获得和操作方便，一般取为第一法兰段进行计算。18门框焊缝计算分析——极限强度由于塔架结构简单，一般建议在ANSYS或者其他有限元程序中自己建立模型，不仅用于极限强度计算，而且在疲劳计算、屈曲稳定性分析上都使用同样的模型，可以节省部分工作量。加载方式可以采用刚性梁、MPC或者其他方式进行加载。只要是可以将6个分量的载荷加载到顶部的方法都可以。塔底底面进行全位移约束即可。19门框焊缝计算分析——极限强度加载极限工况，进行极限强度分析。需要指出的是，对于门框来说，受压时更容易出现最大应力，所以一般选取Mxy最大工况，并使弯矩方向等效于门框受压，进行分析。实际中，由于偏航作用和安装时的问题，门框也确实可能受到不同方向的载荷，所以，对于设计方来说，以上的分析也是充分合理的。当然，也可以工程师自己拼凑一些“工况”，达到充分保守的分析目的。20门框焊缝计算分析——极限强度后处理说明，我们关心什么地方？我们不关心顶部加载位置的应力，也不关心顶部法兰的应力。首先，我们的分析目的是获得门框附近应力。其次，加载附近的应力是计算不准确的。再次，法兰我们有相关的方法进行计算，此处，我们没有必要越俎代庖。一般来说，我们将VonMises应力的显示范围设置在0~[σ]（许用应力）之间，对于Q345材料16~35mm壁厚，[σ]≈295MPa。这样可以方便我们检查。21门框焊缝计算分析——极限强度后处理说明，最大VonMises应力大于许用应力怎么处理？由于几何应力集中作用以及数值求解原因，在焊缝位置不可避免的有很大的应力。当这个最大VonMises应力大于[σ]时，我们不必着急，对于一般的钢结构设计来说，是允许一定的塑性设计的。但是要认可这种设计要满足两个条件：1、超过[σ]区域不能大于壁厚的1/5。2、这种极端工况必须发生概率极低（例如，50年一遇）。建议直接进行材料非线性分析，以避免塑性区域的判断误差。2223门框焊缝计算分析——疲劳强度同样，首先介绍焊缝的S-N曲线。曲线形式与本讲稿15页中一致，计算所用为本讲稿16页中的形式，但斜率可能有些差别。其疲劳等级我们只能在EC31-9中找到，其疲劳等级为100，但需要进行焊趾应力计算，工程计算的名义应力不可以继续使用。24门框焊缝计算分析——疲劳强度要讲焊趾应力的计算，首先就要介绍什么是应力外推。焊趾应力外推，可以参看IIW（国际焊接协会）的规定以及EC31-9中的论述。有限元计算时，由于几何和数值因素，焊趾位置不可避免地出现应力集中，而且随着网格的细化，应力数值会不断的上升，这是不合实际的。采用应力外推的方法，进行焊趾应力的获取，目前是比较公认的方法。门框焊缝计算分析——疲劳强度25目前，我们一般认可的是IIW（国际焊接协会）的外推方法，即，在距离焊趾0.4倍壁厚位置和1.0倍壁厚位置选取应力，在进行线性外推。门框焊缝计算分析——疲劳强度26在有限元中建立焊缝形貌，无论对于厂家还是分析方来说，都是一个困难的工作。因此，DNV海上风机设计指南以及一些文章和文献都对此进行了论述，总结出了在有限元分析中的可以接受的几种方法，如上图，后两种简化方法是我们大家都喜闻乐见的、很容易实现的分析方法。门框焊缝计算分析——疲劳强度27在了解了应力外推方法之后，我们还需要知道，我们要外推那几个应力分量，或者说，那几个应力分量是焊缝疲劳计算的关注点。门框焊缝计算分析——疲劳强度28最后，我们要清楚复杂应力状态下，疲劳破坏的判据是什么。门框焊缝计算分析——疲劳强度实际操作说明。我们可以沿用极限强度分析所使用的有限元模型，当然，一般来说，疲劳分析要求相对较高，从模型的建立来说，一般是先建立疲劳模型，而后不用修改可以直接用于极限分析。左图可见，将塔筒壁进行切割，分别距离几何交角点0.4t和1.0t。当然，门框法兰上也可以进行切割，但是根据我们的经验，这是没有必要的。29门框焊缝计算分析——疲劳强度MxMyMzFxFyFz123456挑选主载荷。还是那个问题，究竟什么是主导疲劳分析的主载荷？是M还是F，是Mx还是My？剪力是否考虑？30门框焊缝计算分析——疲劳强度后处理操作说明。根据EC31-9的要求，我们要获取垂直于焊缝的正应力、切应力和平行于焊缝的切应力。左图可见，我们可以利用节点建立坐标系，获取每个0.4t和1.0t轮廓线上的节点应力。进行应力外推。31门框焊缝计算分析——疲劳强度32门框焊缝计算分析——疲劳强度33门框焊缝计算分析——疲劳强度热点的选取问题，也就是怎样选取危险节点。上面的三幅图是外推正应力与载荷的关系，从哪一个图中选取呢？这要看那个载荷分量是该位置的主载荷，或者说，那个载荷分量产生的应力最大，显然是My。那么，是正应力还是切应力对疲劳其主导呢？不同厂家的设计，这很难判断，最保险的方法是多选些热点进行计算。34门框焊缝计算分析——疲劳强度获得热点的My-[σ⊥,τ⊥,τ∥]，Mz-[σ⊥,τ⊥,τ∥]和Fz-[σ⊥,τ⊥,τ∥]的关系矩阵，交给bladed程序采用通道合并功能，进行应力外推、合成并最终雨流获得等效疲劳应力。采用本讲稿31页的公式，判断疲劳强度是否满足设计要求。当然，也可以自己编程完成操作，但是前提是一定要有所有的时序疲劳载荷。35门框焊缝计算分析——疲劳强度36结束欢迎大家就相关问题进行讨论37