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ANSYS二次開發(fā)技術(shù)在鍋爐鋼架結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用

文檔作者：陳銘李耀榮宋繼順王玉龍文檔來源： 1．天津理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 2．天津市光電顯示材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3．天津?qū)毘蓹C(jī)械制造股份有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年06月03日
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第45卷第2期
2014年3月
鍋 爐 技術(shù)
BOILER TECH N0L0GY
Vo1．45，NO．2
M ar．．20l4
【計(jì)算機(jī)應(yīng)用】
ANSYS二次開發(fā)技術(shù)在鍋爐鋼架結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用
陳 銘 ，李耀榮。，宋繼順。，王玉龍
(1．天津理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津300384； 2．天津市光電顯示材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，
天津300384； 3．天津?qū)毘蓹C(jī)械制造股份有限公司，天津300350)
摘 要： 以ANSYS的APDL語言為基礎(chǔ)，利用Visual Basic為開發(fā)工具，編制了鍋爐鋼架計(jì)算程序。軟件
實(shí)現(xiàn)了以點(diǎn)和面來控制線的逆向建模方式，用戶輸入節(jié)點(diǎn)信息，選擇桿件截面類型，即可快速完成有限元模型
的建立；對(duì)鍋爐鋼架上經(jīng)常作用的4類荷載的以更接近實(shí)際的方式施加，并自動(dòng)調(diào)用ANSYS進(jìn)行2種組合工
況的計(jì)算；計(jì)算結(jié)束，實(shí)現(xiàn)了結(jié)果的反饋并形成計(jì)算書。
關(guān)鍵詞： 有限元；Visual Basic；鍋爐鋼架；荷載；二次開發(fā)
中圖分類號(hào)：TK223 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672—4763(2O14)02—0055-05
0 前 言
鍋爐鋼架是鍋爐本體的主要承重結(jié)構(gòu)，是典
型的柔性結(jié)構(gòu)。國(guó)內(nèi)鍋爐鋼架設(shè)計(jì)主要依靠設(shè)
計(jì)人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合已有的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟
件，采用重復(fù)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)[】]。這種設(shè)計(jì)方
法耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力，得到的結(jié)果卻不一定
精確。計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)及有限元理論的發(fā)展，Corn—
puter Aided Engineering(以下簡(jiǎn)稱CAE)技術(shù)得
到了越來越廣泛的應(yīng)用，為此采用有限元的設(shè)計(jì)
方法，但是有限元方法分析過程過于繁瑣，不能
較好為設(shè)計(jì)人員所掌握。用CAE軟件更加簡(jiǎn)潔
精確的模擬工程實(shí)際情況是CAE技術(shù)的目標(biāo)，
能夠結(jié)合大型通用有限元分析軟件，對(duì)其進(jìn)行二
次開發(fā)，簡(jiǎn)化操作，對(duì)于提高鍋爐鋼架設(shè)計(jì)效率，
很有意義。
本文編制以循環(huán)流化床鍋爐鋼架為主要適
用對(duì)象的計(jì)算程序，提出適用于ANSYS的快速
建模方法、貼近實(shí)際的荷載施加方式及計(jì)算、計(jì)
算結(jié)果的實(shí)時(shí)反饋。
1 快速建模
在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)的形式會(huì)十分復(fù)
雜，要考慮到各方面的因素，比如桿件的材料、安
裝誤差、加工誤差、工程成本、使用要求等。因此
在建立模型時(shí)，不能做到面面俱到，完全與實(shí)際
相符合，要把握主要因素，忽略次要因素，建立計(jì)
算模型應(yīng)遵循荷載等效原理和荷載局部性原理，
合理簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，節(jié)省計(jì)算時(shí)間。鍋爐鋼架幾乎沒
有一個(gè)完整的層面，若建模時(shí)采用跨數(shù)及層數(shù)的
方法，要完成鍋爐鋼架的建模會(huì)非常困難。結(jié)合
ANSYS結(jié)構(gòu)分析的特點(diǎn)，提出以點(diǎn)和面(桿件截
面)來控制線的逆向建模方式，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的
三維模型建立。
1．1鋼架節(jié)點(diǎn)
對(duì)鍋爐鋼架，如果使用實(shí)體建模，建模過程
會(huì)較為復(fù)雜，且劃分網(wǎng)格后模型文件會(huì)很大。用
點(diǎn)、線及截面就可以準(zhǔn)確描述整個(gè)模型。由“經(jīng)
過兩點(diǎn)有一條直線”的公理可以推知：模型建立
過程中，由點(diǎn)和面(桿件截面)控制線的逆向建模
方式，更能很好的控制完成鋼架力學(xué)模型的建
立。因此設(shè)計(jì)人員首先按圖紙進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的編號(hào)
及輸入。
通過控制任意位置的節(jié)點(diǎn)編號(hào)，實(shí)現(xiàn)截面的
選擇、約束與荷載的施加以及提取分析結(jié)果等。
對(duì)于程序的編制，首先需要對(duì)存儲(chǔ)坐標(biāo)信息的數(shù)
據(jù)類型及動(dòng)態(tài)數(shù)組進(jìn)行聲明，通過坐標(biāo)信息動(dòng)態(tài)
數(shù)組，實(shí)現(xiàn)對(duì)編號(hào)及關(guān)鍵點(diǎn)的X、y、Z坐標(biāo)存儲(chǔ)
及修改等操作，從而為后續(xù)的分析提供便利。聲
明程序如下l2]：
收稿日期：2013—05—15
作者簡(jiǎn)介：陳銘(1988一)，男，碩士在讀，主要從事鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究。
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鍋 爐 技 術(shù) 第45卷
’聲明坐標(biāo)信息結(jié)構(gòu)類型
Private Type zuobiao
bianhao As Long
zuobiaoX As Long
zuobiaoY A s Long
zuobiaoZ As Long
End Type
’聲明坐標(biāo)信息動(dòng)態(tài)數(shù)組，對(duì)編號(hào)及X、y、Z
坐標(biāo)，進(jìn)行獨(dú)立控制
Private zuobiaoxinxi()As zuobiao
zuobia0xinxi(i)．bianhao— BH．Text
zuobiaoxinxi(i)．zuohiaoX =：=X ，Text
zuobiaoxinxi(i)．zuobiaoY— Y．Text
zuobiaoxinxi(i)．zuobiaoZ— Z．Text
1．2桿件截面
鋼架主要由柱、梁、斜撐以及附屬桁架等幾
部分組成。鋼架結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，截面形式多樣
化，即整個(gè)鋼架并不是由一種梁截面構(gòu)成而是由
多種截面組成。為滿足結(jié)構(gòu)需求及承重要求，普
通熱軋工字鋼應(yīng)用較多。當(dāng)使用單一的熱軋型
鋼無法滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，可以采用鋼板焊接工字
鋼梁、鋼板焊接箱型梁、鋼板焊接槽鋼梁、焊接H
型鋼等組合梁。常用截面類型如表1所示：
表1 截面類型
鋼板箱型截面 槽鋼一鋼板截面 H 型鋼截面
EI L3 I i
；：1 ■ r __jL
一
。 fI BI I
整個(gè)鋼架結(jié)構(gòu)截面種類多，分布于不同的部
位。為實(shí)現(xiàn)對(duì)不同截面的獨(dú)立操作，互不影響，
將具有相同截面的桿件分為一組。對(duì)屬于一組
的桿件選擇截面并設(shè)置單元長(zhǎng)度，完成網(wǎng)格劃
分，然后再進(jìn)行下一組的單元生成過程。功能實(shí)
現(xiàn)的原理包含以下3部分：
(1)生成桿件組
將具有相同截面的桿件分為一組，并命名為
GJzushu(zushu為桿件所在的組序號(hào))，在AN～
SYS中通過“CM”命令實(shí)現(xiàn)組的劃分，“CM”主要
實(shí)主要功能是將所選擇的桿件生成一個(gè)元件[3]。
使用格式如下：
CM ，Cnam e，Entity
Cname：桿件組的名稱。Entity：元件中的數(shù)
據(jù)類型，它的值有：VOI U、AREA、LINE、KP、
ELEM 和NODE。
(2)組序號(hào)的確定
每次對(duì)具有相同截面的桿件分組后，立即進(jìn)
行網(wǎng)格的劃分，因此網(wǎng)格劃分命令“I MESH，all”
出現(xiàn)的次數(shù)等于已經(jīng)劃分的組數(shù)，“zushu”的值
通過統(tǒng)計(jì)主界面文本框中網(wǎng)格劃分命令
“LMESH，all”出現(xiàn)的次數(shù)來確定，這個(gè)過程可以
由VB的For循環(huán)命令實(shí)現(xiàn)：
Dim As Integer
J= 0
For i一1 To Len(zhujiemian．APDL．Text)
If Mid(zhuiiemian．APDI ．Text，i，9)= ”
I MESH ，all”Then
J— J 4-1
End If
Next i
zushu —
(3)截面創(chuàng)建
鍋爐鋼架截面種類多，用戶可以提前建立所
需截面的宏庫文件，需要時(shí)只需進(jìn)行選擇即可。
按照統(tǒng)計(jì)的截面如果沒有所需的截面，那么進(jìn)行
創(chuàng)建，創(chuàng)建完成后自動(dòng)在截面名稱選擇框中添加
對(duì)應(yīng)的截面名稱及在工作目錄下產(chǎn)生對(duì)應(yīng)截面
的創(chuàng)建宏。其中ANSYS的截面創(chuàng)建需要用到輔
助單元Plane82來自定義截面。
2 計(jì)算
進(jìn)行分析時(shí)必須先計(jì)算作用于鋼架上的各
個(gè)荷載，然后根據(jù)實(shí)際情況將這些荷載分配到梁
上。鍋爐鋼架荷載可分為：永久荷載、活荷載、風(fēng)
荷載、地震作用 ]。接近實(shí)際且有效的荷載施加
方式，是有限元分析精確度的一個(gè)關(guān)鍵所在。而
風(fēng)荷載與地震作用是荷載施加的難點(diǎn)所在。
2．1風(fēng)荷載
我國(guó)鍋爐鋼架抗風(fēng)設(shè)計(jì)常采用擬靜力法，即
將風(fēng)荷載轉(zhuǎn)化為靜力，與其它荷載進(jìn)行荷載組
合，加載于鋼架上，求解鋼架內(nèi)力和位移，計(jì)算風(fēng)
荷載時(shí)考慮風(fēng)壓高度變化系數(shù)、結(jié)構(gòu)體型系數(shù)，
并采用風(fēng)振系數(shù)的形式來考慮結(jié)構(gòu)的風(fēng)振動(dòng)力
效應(yīng)[ 。
施加荷載的大小按《鍋爐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)
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第2期 陳銘，等：ANSYS二次開發(fā)技術(shù)在鍋爐鋼架結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用 59
The Secondary Development of ANSYS Appl ies
to Analysis for Boilet Steel Frame
CHEN Ming ， I I Yao—rong。， SONG Ji—shun ， W ANG Yu—long。
(1．College of Materials Science and Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China
2．Tianjin Key Lab of Photoelectric Materials and Devices，Tianjin 300384，China；
3．Tianiin Baocheng Machinery Manufacturing Incorporated Company，Tianjin 300350，China)
Abst ract： Established the boiler steel calculation procedures through ANSYS APDL lan—
guage and Visual Basic development too1．Software achieved reverse modeling that line is con—
trolled by point and face，user enter the node information，and selected the type of rod cross—
section，then can complete finite element model quickly；summarize four loads calculation
principle，and the applied loads’method is much closer to realistic，and call ANSYS to caleu—
late the two com bined conditions automatically；W hen the calculation iS finished，then form
calculation sheet at last．
Key words：Finite Element Method； Visual Basic； boiler steel frame； load； secondary
developm ent
(上接第25頁)
取樣器管座和接管常常會(huì)通過異徑管連接，
如果取樣管路布置的柔性不足會(huì)導(dǎo)致此處焊縫
的應(yīng)力過大，引起裂紋或斷裂，所以要合理布置
取樣管路及其支吊架。在布置時(shí)應(yīng)注意：
(1)取樣器的位置：蒸汽中固體和液體雜質(zhì)以
灰塵或霧形式存在，其密度大于蒸汽，且分散不均
勻，取樣前應(yīng)采取分離措施。在蒸汽管路上取樣，
常將取樣器徑向插入，以保證取樣有代表性。
(2)取樣速度：取樣時(shí)蒸汽速度一定要穩(wěn)定，
而且進(jìn)取樣器的速度一定要與蒸汽流動(dòng)的速度
一致。為了減少雜質(zhì)損失，蒸汽須保持較高速
度，尤其是垂直向上取樣時(shí)更需要高速。
(3)過熱蒸汽：為防止過熱蒸汽中的雜質(zhì)在
取樣管表面沉積，取樣時(shí)須從取樣器順流方向處
采集試樣。為防止鹽析現(xiàn)象發(fā)生，應(yīng)向取樣器內(nèi)
注入足量的水，以除去過熱，產(chǎn)生少量濕度。
3 結(jié) 語
通過對(duì)多孔型蒸汽取樣裝置的設(shè)計(jì)、安裝的
一個(gè)簡(jiǎn)單介紹，具體設(shè)計(jì)取樣裝置時(shí)需要根據(jù)不
同的爐型、管道直徑、設(shè)計(jì)參數(shù)選用合適的形式，
對(duì)于管接頭要進(jìn)行強(qiáng)度校核，特別是大直徑管道
采用的取樣管接頭除校核強(qiáng)度外，在設(shè)計(jì)時(shí)還要
考慮振動(dòng)的影響。
參考文獻(xiàn)：
[1]GB／T 14116-2010．鍋爐蒸汽的采樣方法ES]．北京：中國(guó)
標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010．
E2]張琦恩．蒸汽取樣器標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)[J]．鍋爐制造，1994(3)
Design and Instal lat ion of Steam Sampler
XU Yan—xia
(Shanghai Boiler W orks Co．，Ltd．，Shanghai 200245，China)
Abst ract：The kinds and character of steam samplers are introduced．Sampling precision will
influence the safe running of electric equipment． Design of sampler is introduced． Design
process of multi—port sampler is introduced in the paper．The location of samplers and the in—
stallation methods are important to precision sample． The notes of samplers installation
should be observed．
Key words：steam sampler； installation； isokinetic sample； sample rate
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