何陽

（湖南省農(nóng)林工業(yè)勘察設計研究總院，湖南 長沙 410000）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國已成為全球人造板生產(chǎn)和消費的第一大國，2020 年我國人造板總產(chǎn)量已超過3 億m3。我國人造板的主要品種有膠合板、纖維板和刨花板，三者約占我國人造板總量的90%以上[1]。

在纖維板的生產(chǎn)過程中干燥系統(tǒng)需要使用旋風分離器[2-4]將干燥后的纖維與煙氣和水蒸氣等分離。為了滿足工藝需要和日益嚴苛的環(huán)保排放要求，使用兩個一級旋風分離器和兩個二級旋風分離器成為近年來纖維板生產(chǎn)線干燥系統(tǒng)的典型布置方式，而鋼結構則是為旋風分離器等設備提供支撐的主要方式。

對設備進行計算流體力學（CFD）分析，可以獲得設備附近的流場分布情況，進而得到涉設備外表面的壓力分布信息。本文通過將計算流體力學分析得到的設備壓力分布信息傳遞至結構靜力學分析軟件，實現(xiàn)不同風載條件下鋼支架的受力與變形行為的有效預測。

1 CFD 分析設置

圖1 旋風分離器及鋼支架的俯視圖

本研究中，風向角θ 的取值包括了41°、90°、180°、139°和221°這5 種情況。

為了盡可能地覆蓋各種不同地區(qū)和不同氣候條件，本研究統(tǒng)計過往工程情況并根據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》[5]，選取了3 個常見基本風壓，分別是0.3kN/m2、0.45kN/m2、0.75kN/m2；以及1 個《建筑結構荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）給定的最大基本風壓1.85kN/m2，并分別命名為“低風壓”“中風壓”“高風壓”和“極高風壓”。并采取指數(shù)律作為風速剖面的表達式。

式中：vz和v10分別為距離地面高度為z 和10m 處的風速值，α—與地面粗糙度有關的系數(shù)，由于本研究僅考慮B 類地面粗糙度，所以α 的值取0.15。

將本研究中風向角和基本風壓等級進行排列組合，一共包括了20 種不同的計算工況。

2 不同工況下鋼支架的受力與變形

選取最為極端的極高壓力等級，依次研究不同風向角下鋼支架的總變形、等效應力和支反力等受力與變形行為。

本研究關于鋼支架的設計方案，采用第四強度理論進行鋼支架強度的大致校核，Q235 低碳鋼的屈服強度取235MPa。

極高風壓等級下，當風向角θ 分別取θ=41°、θ=90°、θ=180°、θ=221°和θ=270°時，利用ANSYS Workbench 軟件平臺的ANSYS Mechanial 模塊計算得到的結構靜力學分析結果。

極高風壓等級下，當風向角θ 不同值時，鋼支架的受力和變形行為出現(xiàn)較大的差異。其中，就總變形分布而言，當風向角θ 取θ=90°、θ=180°和θ=270°時，鋼支架沿水平坐標軸的軸向出現(xiàn)較大的位移，風向角θ=270°時位移最大，對應的位移值高達34.5mm；而當風向角θ取θ=41°和θ=221°時，鋼支架的位移量相對較小，二者各自的最大位移值分別為7.6mm 和8.1mm。與此對應的，當風向角θ 取θ=90°、θ=180°和θ=270°時，鋼支架的等效應力水平也相對較高，各自的最大等效應力值分別達到了125.4MPa、164.0MPa 和135.9MPa，但是均明顯小于Q235 低碳鋼材料對應的235MPa 屈服極限。故本研究中鋼支架的強度水平相對較高。而當風向角θ 取θ=41°和θ=221°時，鋼支架的等效應力水平相對較低，這兩種風向角下對應的最大等效應力值均控制在100MPa 以內(nèi)。此外，由于風向角的不同，支反力的指向也各不相同，但各種風向角下，支反力的指向均體現(xiàn)出沿豎直向上方向略微偏移的特征。

3 不同工況下鋼支架的受力與變形量的比較

3.1 支反力

將全部計算工況下鋼支架基座所受支反力進行統(tǒng)計。其結果表明，不論風向角θ 和風壓等級處于何種取值，各種計算工況下總支反力的大小均在5250kN 左右，且其三個方向的分量均以Y 方向為主。設備及其鋼支架的總重力與各種工況下的總支反力大致相當。這說明鋼支架所受的支反力以抵抗設備及鋼支架自身的重力為主，用于抵抗風載荷的支反力相對重力來說很小。

3.2 變形量與最大等效應力

除了支反力外，不同風載工況對鋼支架的影響還集中地體現(xiàn)為鋼支架的最大變形量和最大等效應力值。在不同工況下，鋼支架的總變形量呈現(xiàn)出較大的差異，不但數(shù)值的大小不同，而且方向也取決于各自工況的風向角。

將不同工況下的總變形量繪制成柱狀圖，如圖2所示。圖2 中可以明顯看出，當空氣沿軸向吹向設備時（即風向角θ=90°、180°或270°時），鋼支架的最大變形量顯著高于空氣沿對角線方向吹向設備的情況（即風向角θ=41°或221°時）。同時，當空氣沿軸向吹向設備時，鋼支架的最大變形量隨著風壓等級的降低而明顯下降；但是當空氣沿對角線方向吹向設備時，不同風壓等級下鋼支架的最大變形量差別不大。根據(jù)流體力學分析的研究結果，當空氣沿對角線方向吹向設備時（即風向角θ=41°或221°時），作用在旋風分離器上的風載總壓力較大；但是根據(jù)結構靜力學分析的結果，這種風向角下鋼支架的最大變形量卻顯著低于空氣沿軸線吹向旋風分離器的情況（即風向角θ=90°、180°或270°時）。這是因為在對角線方向鋼支架的剛度較大，其抵抗變形的能力也顯著高于軸向方向。

圖2 不同風載工況下鋼支架的最大總變形量的比較

對不同工況下鋼支架的最大等效應力進行統(tǒng)計，繪制柱狀圖，如圖3 所示。圖3 的分布趨勢和圖2 較為類似，當空氣沿軸向吹向設備時（即風向角θ=90°、180°或270°時），鋼支架的最大等效應力值高于其他風向角的情況，但是不同風向角下的最大等效應力的相對差別不大。最大等效應力值為164MPa，出現(xiàn)在風向角θ=180°、風壓為極高風壓等級的工況下。

圖3 不同風載工況下鋼支架最大等效應力的比較

3.3 兩種典型工況下鋼支架各方向變形分布

為了更進一步地探究不同風向角下鋼支架變形量的差別，以極高風壓等級為例，分別選取風向角θ=180°和風向角θ=221°這兩種情況，將各自情況下鋼支架X方向、Y 方向和Z 方向的變形分布云圖繪制于圖4 和圖5 中。

圖4 中，由于風向角θ=180°時，空氣從X 軸正方向吹向X 軸負方向，在設備壓差作用下鋼支架整體朝著X 軸負方向出現(xiàn)了很大的位移，最大位移量接近30mm，出現(xiàn)在鋼支架的頂部；而受X 方向大變形的影響以及整體上風壓的不對稱分布，Y 方向和Z 方向也出現(xiàn)了一定的位移量，這兩個方向的最大位移值分別達到了9.4mm 和6.5mm。

圖4 極高風壓等級時風向角θ=180°下鋼支架各方向的變形分布

圖5 中，當風向角θ=221°時，空氣沿對角線方向吹向鋼支架，盡管這種風向角下空氣流動方向的設備投影面積較大，風載總壓力也很高，但是由于對角線方向鋼支架的剛度很大，這種情況下鋼支架的位移量相對較小，Y 方向的最大位移值為7.9mm，而X 方向和Z 方向的最大位移值僅分別為3.6mm 和3.2mm，顯著低于風向角θ=180°的情況。

圖5 極高風壓等級時風向角θ=221°下鋼支架各方向的變形分布

4 結語

（1）從受力來看，由于鋼支架自身重力遠大于設備傳遞風載的作用力，故不論風向角θ 和風壓等級處于何種取值，各種計算工況下總支反力的大小均在5250kN 左右，且其分量均以豎直方向為主。

（2）從變形量來看，當空氣沿軸向吹向設備時，鋼支架的最大變形量相對較高，出現(xiàn)在風向角θ=270°、極高風壓等級的工況，最大變形量的計算值隨著風壓等級的降低而明顯下降；但是當空氣沿對角線方向吹向設備時，不同風壓等級下鋼支架的最大變形量差別不大。

（3）從最大等效應力來看，當空氣沿軸向吹向旋風分離器時，鋼支架的最大等效應力相對較高，出現(xiàn)在風向角θ=180°、風壓為極高風壓等級的工況，且最大等效應力的計算值隨著風壓等級的降低而明顯下降；但是當空氣沿對角線方向吹向設備時，不同風壓等級下鋼支架的最大等效應力差別不大。所有工況下的最大等效應力值均明顯小于鋼材的屈服強度值，且等效應力較高的區(qū)域十分有限，故鋼支架的屈服失效風險較小。

從整體來看，鋼支架整體結構形式具有較高的抗側剛度，抗風能力較強，在設計中調(diào)整構件截面和材料強度能較明顯的提高設計經(jīng)濟性。