基于有限元分析的混凝土烟囱应力分析系统

摘要

本发明公开一种基于有限元分析的混凝土烟囱应力分析系统，包括输入模块、计算模块、转换模块、ANSYS调用模块以及SAP2000调用模块，输入模块用于输入烟囱的基本参数，计算模块调用基本参数计算出建立烟囱模型所需的辅助参数，转换模块调用基本参数和辅助参数并将这些参数转换成ANSYS软件支持的命令流文件，ANSYS调用模块将命令流文件导入到ANSYS中生成具有单元属性的ANSYS模型，SAP2000调用模块将ANSYS模型导入到SAP2000中，通过输入模拟载荷对烟囱进行应力分析。本发明结构合理、使用方便，简化了烟囱的建模过程，降低了设计人员的参数输入量和计算量，提高了分析效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种混凝土烟囱的应力分析系统，具体涉及一种通过计算机实现混凝土烟囱应力分析的系统。

背景技术

有限元分析是一种利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟，将一个复杂的物理系统划分为有限个简单而又相互作用的单元，通过对各个单元的求解来得到物理系统整体近似解的分析方法。这一方法可以用来分析十分复杂的结构，因此一出现就受到人们的普遍重视，很快就发展为一个十分重要的工程计算方法，并在工程设计和研究中得到了广泛的应用。

烟囱作为一种重要的结构建筑物，在国民工业中占有比较重要的地位。在一些大型火力发电厂、钢铁公司、化工厂等生产场所，一般都建有几十米上百米的烟囱，甚至有200m以上的高大烟囱。由于这些烟囱高大而又沉重，其安全性对周围的生产、生活场所的安全具有重大影响，因此大型烟囱在施工之前都会对烟囱进行应力分析。

由于烟囱的受力情况非常复杂，在对烟囱进行应力分析时一般都会用到有限元分析软件，如ANSYS和SAP2000，其中ANSYS是一种通用的有限元分析软件，广泛应用于各种特殊结构的分析和设计，其建模过程比较容易，但是对于结构复杂的大型建筑进行应力分析时使用难度较大，分析效果并不理想；SAP2000的通用性不如ANSYS，建模相对困难，但是建模以后的应力、变形分析功能比较强大，尤其适用于空间结构复杂的桥梁、烟囱等建筑物的应力应变分析。因此，现有的烟囱应力分析方法通常是先在ANSYS软件中手动输入尺寸参数来建立烟囱的模型，然后将烟囱的ANSYS模型导入到SAP2000中，通过在SAP2000中输入各种模拟载荷来对烟囱各个部分的应力进行分析。

现有的烟囱应力分析和设计过程存在如下缺点：1）在ANSYS软件中建模时一般都是由技术人员确定烟囱的基本参数，然后通过大量的计算由基本参数得到烟囱的其他参数，最后再手动输入到ANSYS软件中，由于工作人员需要计算和输入的参数很多，因此工作难度较大而且容易出错；2）由于ANSYS和SAP2000之间无法实现模型的相互转换，将ANSYS模型导入到SAP2000中时，必须借助一些中间软件，操作繁琐而且容易带来一些误差。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种基于有限元分析的混凝土烟囱应力分析系统，以解决传统技术中参数计算量大、操作繁琐、误差大的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下：

基于有限元分析的混凝土烟囱应力分析系统，包括

输入模块，用于输入烟囱的基本参数；

计算模块，调用输入模块中的基本参数，计算建立烟囱模型所需的辅助参数；

转换模块，调用输入模块中的基本参数和计算模块中计算出的辅助参数，生成ANSYS软件所支持的命令流文件；

ANSYS调用模块，后台启动ANSYS软件，并将转换模块中生成的命令流文件导入到ANSYS软件中，生成具有单元属性的ANSYS模型；

SAP2000调用模块，打开SAP2000软件，并将ANSYS调用模块中生成的ANSYS模型导入到SAP2000中，通过在SAP2000中输入模拟载荷对烟囱进行应力分析。

本发明的进一步改进在于：所述烟囱的基本参数包括烟囱整体参数、烟囱顶面参数、阶段性参数以及开洞参数；

所述烟囱整体参数包括烟囱总高度；

所述烟囱顶面参数包括烟囱顶面的标高和顶部出口的外径；

所述阶段性参数包括各段烟囱的高度、坡度和壁厚；

所述开洞参数包括烟囱侧壁上各个洞口的标高、开洞方向以及各个洞口的长度和宽度；

所述烟囱的辅助参数包括各段烟囱顶部的内径、外径以及各段烟囱顶面的标高。

本发明的进一步改进在于：所述计算模块的包括轴向计算子模块和径向计算子模块，

轴向计算子模块调用输入模块中的烟囱顶面的标高和各段烟囱的高度对各段烟囱进行轴向定位；

径向计算子模块调取输入模块中的烟囱顶部出口的外径、各段烟囱的高度、坡度和厚度，计算出各段烟囱顶部的外径及内径。

本发明的进一步改进在于：所述计算模块还包括：

验算子模块，调用阶段性参数中的各段烟囱的高度值，将各段烟囱的高度值之和与烟囱整体参数的烟囱总高度值比较，若两者不相等则提示设计人员输入有误并返回输入模块重新输入基本参数；若两者相等则执行轴向计算子模块和径向计算子模块。

本发明的进一步改进在于：所述ANSYS调用模块包括ANSYS启动子模块、模型生成子模块、模型定位子模块、模型加工子模块；

ANSYS启动子模块用于后台启动ANSYS软件，并隐藏ANSYS主界面；

模型生成子模块用于将转换模块生成的命令流文件导入ANSYS软件中，生成烟囱的ANSYS模型；

模型定位子模块用于将模型生成子模块生成的模型根部的边界条件定义为刚性连接；

模型加工子模块用于将模型定位子模块定位后的ANSYS模型赋予壳单元属性，并进行网格划分。

本发明的进一步改进在于：所述模型加工子模块在对烟囱的ANSYS模型进行网格划分时，首先以1米为单位进行正方形网格划分，再对洞口和尖角处进行三角形网格划分。

本发明的进一步改进在于：所述SAP2000调用模块包括如下五个子模块：

数组定义子模块，用于生成一个能够被SAP2000识别的数组文件；

数组赋值子模块，用于将ANSYS调用模块生成的ANSYS模型的每个网格的单元属性导入到数组定义子模块生成的数组文件中；

SAP2000启动子模块，用于打开SAP2000软件；

数组导入子模块，用于将数组赋值子模块处理后的数组文件导入到SAP2000中，并在SAP2000中依据网格的单元属性和节点属性重新在SAP2000中建立该烟囱的模型；

材质定义子模块，用于为数组导入子模块建立的烟囱模型定义材质，并通过应力分析计算烟囱的变形情况。

本发明的进一步改进在于：所述模拟载荷包括风载荷、地震载荷以及热应力载荷中的一种或多种。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步如下：

本发明结构合理、使用方便，输入模块和计算模块的设置，简化了烟囱的建模过程，建模时设计人员只需要输入烟囱整体参数、烟囱顶面参数、阶段性参数以及开洞参数即可，计算模块会根据输入的基本参数自动计算出烟囱的辅助参数，降低了设计人员的参数输入量和计算量，克服了ANSYS软件专业性强、技术要求高、易出错的缺点，大幅提高了分析效率。

本发明中的转换模块可以方便地将输入模块和计算模块中的各项参数转换成ANSYS软件可以识别的命令流文件，无需人工输入，进一步提高了分析效率，避免了人工输入时可能带来的错误或者误差。

本发明通过ANSYS调用模块在ANSYS软件中进行建模，生成具有壳单元属性的ANSYS模型后再通过SAP2000调用模块将模型导入到SAP2000中进行应力分析，既利用了ANSYS软件容易建模的优点，又利用了SAP2000软件应力分析功能强大的优点，因此特别适用于结构和应力情况复杂的烟囱的应力分析，具有效率高、误差小、分析功能强大等优点。

本发明中计算模块包括轴向计算子模块和径向计算子模块，可以根据输入的基本参数自动对各段烟囱进行轴向定位，并计算出各段烟囱顶部的外径及内径，减少了设计人员的计算量，提高了分析效率。

本发明中计算模块还包括一验算子模块，当输入的各段烟囱的高度之和与输入的烟囱总高度不相等时会自动提示出错，从而避免分析失误，提高了分析精度。

本发明中ANSYS调用模块包括模型定位子模块和模型加工子模块，模型定位子模块可以将模型根部的边界条件定义为刚性连接，以便于建模完成后在SAP2000中进行应力分析；模型加工子模块将ANSYS模型赋予壳单元属性，并进行网格划分，网格划分时首先以1米为单位进行正方形网格划分，再对洞口和尖角处等容易发生应力集中的部位进行更精细的三角形网格划分，在保证运算速度的同时，提高了计算精度。

本发明中SAP2000调用模块通过设置数组定义子模块、数组赋值子模块和数组导入子模块，无需借助中间软件即可将ANSYS模型导入到SAP2000中，进一步简化了工作人员的操作，提高了分析效率，减少了模型转换过程中的误差，提高了分析计算的精度。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作更进一步详细说明：

一种基于有限元分析的混凝土烟囱应力分析系统，包括输入模块、计算模块、转换模块、ANSYS调用模块、以及SAP2000调用模块。

输入模块用于烟囱的基本参数的输入。基本参数输入之前首先将烟囱自上而下按照侧壁的厚度和坡度进行分段，侧壁的坡度是指烟囱侧壁的延伸方向与竖直方向的夹角。需要在输入模块中输入的基本参数分为烟囱整体参数、烟囱顶面参数、阶段性参数以及开洞参数。烟囱整体参数是指烟囱总高度。烟囱顶面参数是指烟囱顶面的标高和顶部出口的外径。标高是建筑物某一部位相对于基准面（标高的零点）的竖向高度，是竖向定位的依据，基准面可以跟根据设计需要灵活选取。阶段性参数包括各段烟囱的高度、坡度和壁厚，输入时按照自上而下的顺序依次输入各段烟囱的阶段性参数。开洞参数包括烟囱侧壁上各个洞口的标高、开洞方向以及各个洞口的长度和宽度。洞口的标高用于定位洞口所在的高度，洞口的开洞方向是指俯视烟囱时洞口中轴线与基准方向之间的夹角，基准方向定义为第一个洞口的中轴线方向。

计算模块调用输入模块中的基本参数，并通过运算得出建立烟囱模型所需的辅助参数。烟囱的辅助参数包括各段烟囱的内径、外径以及各段烟囱顶面的标高。计算模块包括验算子模块、轴向计算子模块以及径向计算子模块。验算子模块调用输入模块中的基本参数，将输入的各段烟囱的高度值之和与输入的烟囱总高度值进行比较，若两者不相等则提示设计人员输入有误并返回输入模块重新输入基本参数，若两者相等则执行轴向计算子模块和径向计算子模块。轴向计算子模块调用烟囱顶面的标高和各段烟囱的高度，计算出各段烟囱的顶面标高，从而实现各段烟囱的轴向定位；该模块所涉及的计算公式为：当前段烟囱的顶面标高等于相邻上段烟囱的顶面标高减去相邻上段烟囱的高度值。径向计算子模块调用烟囱顶部出口的外径、各段烟囱的高度、坡度和厚度，首先通过烟囱顶部出口的外径以及各段烟囱的高度和坡度计算出各段烟囱的外径，然后再根据各段烟囱的外径以及厚度计算出各段烟囱的内径；该模块所涉及的计算公式为：

当前段烟囱顶部的外径=相邻上段烟囱的顶部外径+相邻上段烟囱的高度×相邻上段烟囱的坡度值×2；

当前段烟囱顶部的内径=当前段烟囱顶部的外径-当前段烟囱的厚度。

转换模块内包含一个两列多行的参数表单，转换模块首先将输入模块中的基本参数以及计算模块中得出的其他参数调用到该参数表单中，左侧一列表示参数名称，右侧一列表示相应参数的具体数值，然后通过程序将参数表单转换成ANSYS软件可识别的命令流文件，该命令流文件由APDL语言编写而成；最终将该命令流文件输出到指定的目录文件夹中。

ANSYS调用模块在后台启动ANSYS软件，并自动将转换模块生成的命令流文件导入ANSYS软件中，从而生成该烟囱的ANSYS模型。ANSYS调用模块包括ANSYS启动子模块、模型生成子模块、模型定位子模块以及模型加工子模块。ANSYS启动子模块后台启动ANSYS软件，并隐藏ANSYS主界面。模型生成子模块将转换模块生成的命令流文件导入ANSYS软件中，生成烟囱的ANSYS模型。模型定位子模块将生成的ANSYS模型根部的边界条件定义为刚性连接。模型加工子模块将模型定位子模块定位以后的ANSYS模型赋予壳单元属性，并对该烟囱的ANSYS模型进行网格划分。壳单元是ANSYS软件中的一种单元属性，表示该单元是由内外两个表面间隔一定厚度所形成的结构。网格划分时，首先对该烟囱的ANSYS模型整体以边长1米的正方形网格为单位进行划分，然后再对烟囱模型上的洞口、尖角处等容易产生应力集中的部位以三条边长均不大于0.5米的三角形网格为单位进行划分。

SAP2000调用模块用于打开SAP2000软件并将ANSYS调用模块生成的ANSYS模型导入到SAP2000中，具体包括如下五个子模块：

I）数组定义子模块，用于生成一个数组文件，该数组文件可以被SAP2000识别，即可以直接导入到SAP2000中；

II）数组赋值子模块，用于将ANSYS调用模块生成的ANSYS模型的每个网格的单元属性和节点属性导入到数组定义子模块生成的数组文件中，本实施例中单元属性都是壳单元，节点属性表示了每个网格中节点的位置关系和排列顺序，以便于将各个节点重新组合成模型；

III）SAP2000启动子模块，用于打开SAP2000软件；

IV）数组导入子模块，用于将数组赋值子模块处理后的数组文件导入到SAP2000中，按照数组文件记录的各个节点属性在SAP2000中重新生成节点，并在SAP2000中按照数组文件中的顺序对各个节点进行排序，从而将节点连接起来形成平面单元，然后将数组文件中记录的壳单元属性赋予该平面单元，即可在SAP2000中生成该烟囱的模型，完成将模型导入SAP2000的工作；

V）材质定义子模块，用于为数组导入子模块建立的烟囱模型定义材质，以便于通过应力分析计算烟囱的变形情况。

由SAP2000调用模块生成的烟囱模型显示在SAP2000的界面上，然后通过在系统中输入风载荷、地震载荷、热应力载荷等主要载荷中的一种或多种，通过SAP2000自带的应力、变形计算功能对该烟囱的应力、变形情况进行分析，完成该烟囱的应力分析任务。