一种在冷却塔上布设加劲环和子午肋的方法及装置

摘要

本发明提供一种在冷却塔上布设加劲环和子午肋的方法及装置，其中，所述方法包括：S1：建立冷却塔的ANSYS有限元模型；S2：针对预先确定的待布设子午肋多个目标数量中的每个目标数量，均进行下述S3至S5的步骤；S3：对ANSYS有限元模型施加预设风压；S4：确定当前模型表面最小局部稳定因子对应的目标高度，在所述目标高度处布设加劲环并记录加环后最小局部稳定因子；S5：重复执行步骤S4，直至前后确定的最小局部稳定因子之间的减幅大于或者等于预设阈值为止；S6：根据记录的最小局部稳定因子，确定布设的子午肋和加劲环数量。本发明提供的在冷却塔上布设加劲环和子午肋的方法及装置，能够显著提升冷却塔结构的稳定性和安全性。

说明书

技术领域

本发明涉及冷却塔制造技术领域，尤其涉及一种在冷却塔上布设加劲环和子午肋的方法及装置。

背景技术

在传统的火/核电发电厂中，大型冷却塔基本采用单独布设加劲环或子午肋的方法来提高结构的抗风稳定性或减小其表面风压，此结构型式已经过研究与实践，并在工程中得到广泛应用。

随着火力发电设备容量的不断增大，现阶段已涌现出一大批超规范高度限值(190m)的特大型冷却塔。伴随着冷却塔高度和直径的增加，风致稳定性问题愈加突出，如何通过改变冷却塔构造以提高结构的稳定性能成为冷却塔抗风设计亟待解决的问题之一。以西北地区为例，由于风速和昼夜温差大，保证结构安全性和稳定性的难度系数随之增大，而局部稳定又是稳定性计算中的控制因素之一。鉴于此，在冷却塔塔筒表面布置加劲环、子午肋成为可选择方案。对于仅布设子午肋的冷却塔结构，虽然其结构表面风压降低，但结构基频亦有所减小；如果仅布设加劲环，冷却塔结构基频虽有所提高，但局部稳定性却有所降低，对于结构的抗风稳定性极为不利。

对布置加劲环和子午肋的冷却塔进行对比研究，结果表明：布设子午肋可以减小冷却塔表面极值风压，降低风致响应对结构的不利影响，同时提高了结构的局部稳定性，但由于子午肋的存在，冷却塔因自重增加致使结构基频降低；布设加劲环提高结构的基频，保证了结构的刚度。因此，如何综合考虑加劲环和子午肋对冷却塔结构的影响，并确定合理的布设数量，成为亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在冷却塔上布设加劲环和子午肋的方法及装置，能够针对现有的冷却塔结构，综合考虑加劲环和子午肋的布设数量，从而可以提升冷却塔结构的稳定性和安全性，并减小冷却塔结构的风致响应。

为实现上述目的，本发明提供了一种在冷却塔上布设加劲环和子午肋的方法，所述方法包括：S1：建立冷却塔的ANSYS有限元模型，所述冷却塔上设置有预设对数的支柱；S2：根据所述预设对数，确定待布设子午肋的多个目标数量，针对每个目标数量均进行下述S3至S5的步骤；S3：在所述ANSYS有限元模型的表面均匀布设所述目标数量的子午肋，并对布设了子午肋的模型施加预设风压；S4：对当前的ANSYS有限元模型进行静风响应分析，确定当前模型表面最小局部稳定因子对应的目标高度；在所述目标高度处布设加劲环并记录布设了加劲环后的最小局部稳定因子；S5：重复执行步骤S4，直至当前确定的最小局部稳定因子与上一次确定的最小局部稳定因子之间的减幅大于或者等于预设阈值为止；S6：根据记录的最小局部稳定因子，确定在所述冷却塔上布设的子午肋和加劲环的数量。

进一步地，所述目标数量为所述预设对数的整数倍。

进一步地，所述ANSYS有限元模型中的塔筒采用Shell63单元，环基及与环基连接的X型柱采用Beam188单元，X型支柱与塔筒下部之间采用节点自由度耦合的方式连接，每个环基下部采用Combin14单元，加劲环和子午肋均采用Shell63单元。

进一步地，所述子午肋的截面尺寸由所述冷却塔所处地理位置的地貌、结构的受力特性和塔筒表面风压分布确定。

进一步地，在对布设了子午肋的ANSYS有限元模型施加预设风压之后，所述方法还包括：监测所述ANSYS有限元模型外表面负压极值并调整施加于所述ANSYS有限元模型上的风压，使得所述模型外表面负压极值处于预设风压极值范围内。

进一步地，所述冷却塔呈双曲线型。

进一步地，在所述冷却塔上布设的子午肋的数量为所述预设对数的两倍，在所述冷却塔上布设的加劲环的数量为3道。

进一步地，所述最小局部稳定因子按照下述公式确定：

$0.8K_B(\frac{{\sigma }_1}{{\sigma }_{cr1}}+\frac{{\sigma }_2}{{\sigma }_{cr2}})+0.2{K_B}^2[{\left(\frac{{\sigma }_1}{{\sigma }_{cr1}}\right)}^2+{\left(\frac{{\sigma }_2}{{\sigma }_{cr2}}\right)}^2]=1$

${\sigma }_{cr1}=\frac{0.985E}{\sqrt[4]{{(1-v^2)}^3}}{\left(\frac{h}{r_0}\right)}^{4/3}{K}_1$

${\sigma }_{cr2}=\frac{0.612E}{\sqrt[4]{{(1-v^2)}^3}}{\left(\frac{h}{r_0}\right)}^{4/3}{K}_2$

其中，σ₁和σ₂为不同荷载组合工况下的环向和子午向压应力，通过静风响应分析提取；σ_cr1为环向临界压力；σ_cr2为子午向临界压力；h和r₀分别为塔筒喉部壁厚与半径；E和ν分别为壳体混凝土的弹性模量和泊松比；K₁、K₂为可根据塔筒计和参数插值得到的常量；K_B为局部稳定因子。

为实现上述目的，本发明还提供了一种在冷却塔上布设加劲环和子午肋的装置，所述装置包括：有限元模型建立单元，用于建立冷却塔的ANSYS有限元模型，所述冷却塔上设置有预设对数的支柱；子午肋数量确定单元，用于根据所述预设对数，确定待布设的子午肋的多个目标数量，针对每个目标数量均执行下述风压施加单元至循环执行单元；风压施加单元，用于在所述ANSYS有限元模型的表面均匀布设所述目标数量的子午肋，并对布设了子午肋的模型施加预设风压；最小局部稳定因子记录单元，用于对当前的ANSYS有限元模型进行静风响应分析，确定当前模型表面最小局部稳定因子对应的目标高度；在所述目标高度处布设加劲环并记录布设了加劲环后的最小局部稳定因子；循环执行单元，用于重复执行最小局部稳定因子记录单元，直至当前确定的最小局部稳定因子与上一次确定的最小局部稳定因子之间的减幅大于或者等于预设阈值为止；数量确定单元，用于根据记录的最小局部稳定因子，确定在所述冷却塔上布设的子午肋和加劲环的数量。

进一步地，在所述风压施加单元之后，所述装置还包括：风压调整单元，用于监测所述ANSYS有限元模型上外表面负压极值并调整施加于所述模型上的风压，使得所述模型上外表面负压极值处于预设风压极值范围内。

本发明通过对布设不同数量的子午肋以及布设不同数量的加劲环后对应的最小局部稳定因子进行分析，从而可以确定布设子午肋和加劲环的最优数量。本发明针对已定的冷却塔结构，确定了加劲环和子午肋的最优布置方案，通过将加劲环和子午肋组合布置，有效改变了冷却塔结构外表面风压分布，进而减小了风致响应对冷却塔结构的不利影响，最终提高了结构的抗风稳定性，可为此类超大型冷却塔的优化布设提供依据。

附图说明

图1为本发明中一种在冷却塔上布设加劲环和子午肋的方法流程图；

图2为本发明中一种在冷却塔上布设加劲环和子午肋的装置的功能模块图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施方式，都应当属于本申请保护的范围。

图1为本发明中一种在冷却塔上布设加劲环和子午肋的方法流程图。如图1所示，所述方法可以包括以下步骤。

S1：建立冷却塔的ANSYS有限元模型，所述冷却塔上设置有预设对数的支柱。

在本实施方式中，所述冷却塔的高可以为220米，进风口的高度可以为30.75米，喉部直径可以为123米，喉部高度可以为165米。所述冷却塔上设置有64对支柱。在对所述冷却塔进行分析时，可以建立ANSYS有限元模型。具体地，在建立ANSYS有限元模型时，所述ANSYS有限元模型中的塔筒可以采用Shell63单元，环基及与环基连接的X型柱可以采用Beam188单元，X型支柱与塔筒下部之间可以采用节点自由度耦合的方式连接，每个环基下部可以采用Combin14单元，加劲环和子午肋均可以采用Shell63单元。

S2：根据所述预设对数，确定待布设的子午肋的多个目标数量，针对每个目标数量均进行下述S3至S5的步骤。

在本实施方式中，所述子午肋的目标数量可以根据支柱的预设对数来确定。具体地，在本实施方式中，所述目标数量可以为所述预设对数的整数倍。例如，所述预设对数可以为N，那么所述目标数量便可以是N的i倍，其中i为大于或者等于1的整数。在本实施方式中，i可以分别取1至4这4个整数，从而可以确定4个目标数量。针对每个目标数量，均可以进行下述的步骤S3至S5。

S3：在所述ANSYS有限元模型的表面均匀布设所述目标数量的子午肋，并对布设了子午肋的模型施加预设风压。

在本实施方式中，在确定了所述目标数量之后，便可以在所述ANSYS有限元模型的表面均匀布设所述目标数量的子午肋。在布设了子午肋之后，可以对布设了子午肋的模型施加预设风压，以进一步确定布设加劲环的数量。

在本实施方式中，布设的子午肋的截面尺寸可以根据所述冷却塔所处地理位置的地貌确定。所述地理位置的地貌可以分为A、B、C、D四类，每类地貌可以由地貌粗糙度指数来表征。在本实施方式中，所述子午肋的截面尺寸便是由所述地貌粗糙度指数并依据结构的受力特性和塔筒表面风压分布来确定。

本实施方式中，在对布设了子午肋的ANSYS有限元模型施加预设风压之后，还可以监测所述模型外表面负压极值并调整施加于塔筒表面的风压，使得所述模型上外表面负压极值处于预设风压极值范围内。具体地，所述负压极值可以处于K1.2或K1.1或K1.0的规范风压内。

S4：对当前的ANSYS有限元模型进行静风响应分析，确定当前模型表面产生最小局部稳定因子对应的目标高度；在所述目标高度处布设加劲环并记录布设了加劲环后的ANSYS有限元模型对应的最小局部稳定因子。

在本实施方式中，可以对当前布设了子午肋的ANSYS有限元模型进行静风响应分析，从而确定当前模型表面产生最小局部稳定因子对应的目标高度。这样，在所述目标高度处可以布设加劲环并记录布设了加劲环后对应的最小局部稳定因子。这样，记录的最小局部稳定因子与布设的子午肋和加劲环均相关。

在本实施方式中，所述最小局部稳定因子可以按照下述公式确定：

$0.8K_B(\frac{{\sigma }_1}{{\sigma }_{cr1}}+\frac{{\sigma }_2}{{\sigma }_{cr2}})+0.2{K_B}^2[{\left(\frac{{\sigma }_1}{{\sigma }_{cr1}}\right)}^2+{\left(\frac{{\sigma }_2}{{\sigma }_{cr2}}\right)}^2]=1$

${\sigma }_{cr1}=\frac{0.985E}{\sqrt[4]{{(1-v^2)}^3}}{\left(\frac{h}{r_0}\right)}^{4/3}{K}_1$

${\sigma }_{cr2}=\frac{0.612E}{\sqrt[4]{{(1-v^2)}^3}}{\left(\frac{h}{r_0}\right)}^{4/3}{K}_2$

其中，σ₁和σ₂为不同荷载组合工况下的环向和子午向压应力，通过静风响应分析提取；σ_cr1为环向临界压力；σ_cr2为子午向临界压力；h和r₀分别为塔筒喉部壁厚与半径；E和ν分别为壳体混凝土的弹性模量和泊松比；K₁、K₂为可根据塔筒计和参数插值得到的常量；K_B为局部稳定因子。

S5：重复执行步骤S4，直至当前确定的最小局部稳定因子与上一次确定的最小局部稳定因子之间的减幅大于或者等于预设阈值为止。

在本实施方式中，在所述目标高度处布设了第一道加劲环后，可以继续对当前的ANSYS有限元模型进行静风响应分析，从而再次确定当前模型表面产生最小局部稳定因子对应的目标高度。同样地，再次确定出目标高度之后，可以在再次确定的目标高度处布设第二道加劲环。在布设了第二道加劲环之后，同样可以记录当前模型对应的最小局部稳定因子。其中所述阈值为0.05。

这样，在本实施方式中，可以循环执行步骤S4，每循环一次，便可以记录一个最小局部稳定因子。随着布设的加劲环的不断增加，记录的最小局部稳定因子的值也在不断减小，但最小局部稳定因子每次减小的幅度却是不相同的。表1为相同子午肋数量、不同加劲环数量对应的最小局部稳定因子示意表，从表1中可以看出，前三道加劲环对应的最小局部稳定因子的减幅都比较小。例如，第二道加劲环对应的最小局部稳定因子比第一道加劲环对应的最小局部稳定因子减少了0.02，第三道比第二道减少了0.01，但第四道比第三道减少了0.11，明显大于预设阈值0.05。

表1相同子午肋数量、不同加劲环数量对应的最小局部稳定因子示意表

在本实施方式中，如果当前确定的最小局部稳定因子与上一次确定的最小局部稳定因子之间的减幅大于或者等于预设阈值时，则表明最小局部稳定因子的减幅开始明显增大，这样便可以停止重复步骤S4。以表1为例，在布设了4道加劲环后，便可以停止布设更多的加劲环。

S6：根据记录的最小局部稳定因子，确定在所述冷却塔上布设的子午肋和加劲环的数量。

在本实施方式中，对于不同目标数量的子午肋以及不同数量的加劲环，均可以对应不同的最小局部稳定因子。表2为本实施方式中最小局部稳定因子与子午肋数量和加劲环数量的对应示意表。

表2最小局部稳定因子与子午肋和加劲环数量的对应示意表

从表2中可以看出，对于同样数量的子午肋，随着加劲环数量的增加，最小局部稳定因子在不断减小。对于同样数量的加劲环，随着子午肋数量的增加，最小局部稳定因子在不断增加。其中，当子午肋的数量固定时，最小局部稳定因子减小的幅度最大时对应的加劲环的数量为3道。在加劲环数量固定时，最小局部稳定因子增加的幅度骤减时对应的子午肋的数量为支柱对数的两倍。因此，在本实施方式最优的方案中，在所述冷却塔上布设的子午肋的数量可以为所述预设对数的两倍，在所述冷却塔上布设的加劲环的数量可以为3道。

在本实施方式中，还可以考虑冷却塔的结构基频因素。表3为基频与子午肋和加劲环数量的对应示意表，表3中基频的单位为Hz。

表3基频与子午肋和加劲环数量的对应示意表

从表3中可以看出，为了提高冷却塔的结构基频，并且综合考虑表2中最小局部稳定因子的数值，同样可以选择布设三道加劲环和支柱对数两倍的子午肋。

本申请还提供一种在冷却塔上布设加劲环和子午肋的装置。请参阅图2，所述装置可以包括：

有限元模型建立单元100，用于预先建立冷却塔的ANSYS有限元模型，所述冷却塔上设置有预设对数的支柱；

子午肋数量确定单元200，用于根据所述预设对数，确定待布设的子午肋的多个目标数量，针对每个目标数量均执行下述风压施加单元至循环执行单元；

风压施加单元300，用于在所述ANSYS有限元模型的表面均匀布设所述目标数量的子午肋，并对布设了子午肋的模型施加预设风压；

最小局部稳定因子记录单元400，用于对当前的ANSYS有限元模型进行静风响应分析，确定当前模型表面产生最小局部稳定因子对应的目标高度；在所述目标高度处布设加劲环并记录布设了加劲环后的ANSYS有限元模型对应的最小局部稳定因子；

循环执行单元500，用于重复执行最小局部稳定因子记录单元，直至当前确定的最小局部稳定因子与上一次确定的最小局部稳定因子之间的减幅大于或者等于预设阈值为止；

数量确定单元600，用于根据记录的最小局部稳定因子，确定在所述冷却塔上布设的子午肋和加劲环的数量。

在本申请一个优选实施方式中，所述ANSYS有限元模型中的塔筒采用Shell63单元，环基及与环基连接的X型柱采用Beam188单元，X型支柱与塔筒下部之间采用节点自由度耦合的方式连接，每个环基下部采用Combin14单元，加劲环和子午肋均采用Shell63单元。

在本申请一个优选实施方式中，在所述风压施加单元300之后，所述装置还包括：

风压调整单元310，用于监测所述ANSYS有限元模型外表面负压极值并调整施加于塔筒表面的风压，使得所述有限元模型外表面负压极值处于预设风压极值范围内。

需要说明的是，上述各个功能模块的具体实现方式以及计算公式均与步骤S1至S6中的描述一致，这里便不再赘述。

由上可见，本发明通过对布设不同数量的子午肋以及布设不同数量的加劲环后对应的最小局部稳定因子进行分析，从而可以确定布设子午肋和加劲环的最优数量。本发明针对已定的冷却塔结构，确定了加劲环和子午肋的最优布置方案，通过将加劲环和子午肋组合布置，有效改变了冷却塔结构外表面风压分布，进而减小了风致响应对冷却塔结构的不利影响，最终提高了结构的抗风稳定性，可为此类超大型冷却塔的优化布设提供依据。上面对本申请的各种实施方式的描述以描述的目的提供给本领域技术人员。其不旨在是穷举的、或者不旨在将本发明限制于单个公开的实施方式。如上所述，本申请的各种替代和变化对于上述技术所属领域技术人员而言将是显而易见的。因此，虽然已经具体讨论了一些另选的实施方式，但是其它实施方式将是显而易见的，或者本领域技术人员相对容易得出。本申请旨在包括在此已经讨论过的本发明的所有替代、修改、和变化，以及落在上述申请的精神和范围内的其它实施方式。

本说明书中的各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式的不同之处。

虽然通过实施方式描绘了本申请，本领域普通技术人员知道，本申请有许多变形和变化而不脱离本申请的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本申请的精神。