何陽

（湖南省農(nóng)林工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究總院，湖南 長沙 410000）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國已成為全球人造板生產(chǎn)和消費(fèi)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(fēng)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(yán)苛的環(huán)保排放要求，使用兩個(gè)一級(jí)旋風(fēng)分離器和兩個(gè)二級(jí)旋風(fēng)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(jié)構(gòu)則是為旋風(fēng)分離器等設(shè)備提供支撐的主要方式。

對(duì)設(shè)備進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)（CFD）分析，可以獲得設(shè)備附近的流場分布情況，進(jìn)而得到涉設(shè)備外表面的壓力分布信息。本文通過將計(jì)算流體力學(xué)分析得到的設(shè)備壓力分布信息傳遞至結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析軟件，實(shí)現(xiàn)不同風(fēng)載條件下鋼支架的受力與變形行為的有效預(yù)測。

1 CFD 分析設(shè)置

圖1 旋風(fēng)分離器及鋼支架的俯視圖

本研究中，風(fēng)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(jì)過往工程情況并根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[5]，選取了3 個(gè)常見基本風(fēng)壓，分別是0.3kN/m2、0.45kN/m2、0.75kN/m2；以及1 個(gè)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）給定的最大基本風(fēng)壓1.85kN/m2，并分別命名為“低風(fēng)壓”“中風(fēng)壓”“高風(fēng)壓”和“極高風(fēng)壓”。并采取指數(shù)律作為風(fēng)速剖面的表達(dá)式。

式中：vz和v10分別為距離地面高度為z 和10m 處的風(fēng)速值，α—與地面粗糙度有關(guān)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(fēng)向角和基本風(fēng)壓等級(jí)進(jìn)行排列組合，一共包括了20 種不同的計(jì)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(jí)，依次研究不同風(fēng)向角下鋼支架的總變形、等效應(yīng)力和支反力等受力與變形行為。

本研究關(guān)于鋼支架的設(shè)計(jì)方案，采用第四強(qiáng)度理論進(jìn)行鋼支架強(qiáng)度的大致校核，Q235 低碳鋼的屈服強(qiáng)度取235MPa。

極高風(fēng)壓等級(jí)下，當(dāng)風(fēng)向角θ 分別取θ=41°、θ=90°、θ=180°、θ=221°和θ=270°時(shí)，利用ANSYS Workbench 軟件平臺(tái)的ANSYS Mechanial 模塊計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析結(jié)果。

極高風(fēng)壓等級(jí)下，當(dāng)風(fēng)向角θ 不同值時(shí)，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(dāng)風(fēng)向角θ 取θ=90°、θ=180°和θ=270°時(shí)，鋼支架沿水平坐標(biāo)軸的軸向出現(xiàn)較大的位移，風(fēng)向角θ=270°時(shí)位移最大，對(duì)應(yīng)的位移值高達(dá)34.5mm；而當(dāng)風(fēng)向角θ取θ=41°和θ=221°時(shí)，鋼支架的位移量相對(duì)較小，二者各自的最大位移值分別為7.6mm 和8.1mm。與此對(duì)應(yīng)的，當(dāng)風(fēng)向角θ 取θ=90°、θ=180°和θ=270°時(shí)，鋼支架的等效應(yīng)力水平也相對(duì)較高，各自的最大等效應(yīng)力值分別達(dá)到了125.4MPa、164.0MPa 和135.9MPa，但是均明顯小于Q235 低碳鋼材料對(duì)應(yīng)的235MPa 屈服極限。故本研究中鋼支架的強(qiáng)度水平相對(duì)較高。而當(dāng)風(fēng)向角θ 取θ=41°和θ=221°時(shí)，鋼支架的等效應(yīng)力水平相對(duì)較低，這兩種風(fēng)向角下對(duì)應(yīng)的最大等效應(yīng)力值均控制在100MPa 以內(nèi)。此外，由于風(fēng)向角的不同，支反力的指向也各不相同，但各種風(fēng)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(jì)算工況下鋼支架基座所受支反力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。其結(jié)果表明，不論風(fēng)向角θ 和風(fēng)壓等級(jí)處于何種取值，各種計(jì)算工況下總支反力的大小均在5250kN 左右，且其三個(gè)方向的分量均以Y 方向?yàn)橹?。設(shè)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(dāng)。這說明鋼支架所受的支反力以抵抗設(shè)備及鋼支架自身的重力為主，用于抵抗風(fēng)載荷的支反力相對(duì)重力來說很小。

3.2 變形量與最大等效應(yīng)力

除了支反力外，不同風(fēng)載工況對(duì)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(yīng)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(fēng)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(dāng)空氣沿軸向吹向設(shè)備時(shí)（即風(fēng)向角θ=90°、180°或270°時(shí)），鋼支架的最大變形量顯著高于空氣沿對(duì)角線方向吹向設(shè)備的情況（即風(fēng)向角θ=41°或221°時(shí)）。同時(shí)，當(dāng)空氣沿軸向吹向設(shè)備時(shí)，鋼支架的最大變形量隨著風(fēng)壓等級(jí)的降低而明顯下降；但是當(dāng)空氣沿對(duì)角線方向吹向設(shè)備時(shí)，不同風(fēng)壓等級(jí)下鋼支架的最大變形量差別不大。根據(jù)流體力學(xué)分析的研究結(jié)果，當(dāng)空氣沿對(duì)角線方向吹向設(shè)備時(shí)（即風(fēng)向角θ=41°或221°時(shí)），作用在旋風(fēng)分離器上的風(fēng)載總壓力較大；但是根據(jù)結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析的結(jié)果，這種風(fēng)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(fēng)分離器的情況（即風(fēng)向角θ=90°、180°或270°時(shí)）。這是因?yàn)樵趯?duì)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(fēng)載工況下鋼支架的最大總變形量的比較

對(duì)不同工況下鋼支架的最大等效應(yīng)力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，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(dāng)空氣沿軸向吹向設(shè)備時(shí)（即風(fēng)向角θ=90°、180°或270°時(shí)），鋼支架的最大等效應(yīng)力值高于其他風(fēng)向角的情況，但是不同風(fēng)向角下的最大等效應(yīng)力的相對(duì)差別不大。最大等效應(yīng)力值為164MPa，出現(xiàn)在風(fēng)向角θ=180°、風(fēng)壓為極高風(fēng)壓等級(jí)的工況下。

圖3 不同風(fēng)載工況下鋼支架最大等效應(yīng)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(jìn)一步地探究不同風(fēng)向角下鋼支架變形量的差別，以極高風(fēng)壓等級(jí)為例，分別選取風(fēng)向角θ=180°和風(fēng)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(fēng)向角θ=180°時(shí)，空氣從X 軸正方向吹向X 軸負(fù)方向，在設(shè)備壓差作用下鋼支架整體朝著X 軸負(fù)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(fēng)壓的不對(duì)稱分布，Y 方向和Z 方向也出現(xiàn)了一定的位移量，這兩個(gè)方向的最大位移值分別達(dá)到了9.4mm 和6.5mm。

圖4 極高風(fēng)壓等級(jí)時(shí)風(fēng)向角θ=180°下鋼支架各方向的變形分布

圖5 中，當(dāng)風(fēng)向角θ=221°時(shí)，空氣沿對(duì)角線方向吹向鋼支架，盡管這種風(fēng)向角下空氣流動(dòng)方向的設(shè)備投影面積較大，風(fēng)載總壓力也很高，但是由于對(duì)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(duì)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(fēng)向角θ=180°的情況。

圖5 極高風(fēng)壓等級(jí)時(shí)風(fēng)向角θ=221°下鋼支架各方向的變形分布

4 結(jié)語

（1）從受力來看，由于鋼支架自身重力遠(yuǎn)大于設(shè)備傳遞風(fēng)載的作用力，故不論風(fēng)向角θ 和風(fēng)壓等級(jí)處于何種取值，各種計(jì)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?yàn)橹鳌?/p>

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

（3）從最大等效應(yīng)力來看，當(dāng)空氣沿軸向吹向旋風(fēng)分離器時(shí)，鋼支架的最大等效應(yīng)力相對(duì)較高，出現(xiàn)在風(fēng)向角θ=180°、風(fēng)壓為極高風(fēng)壓等級(jí)的工況，且最大等效應(yīng)力的計(jì)算值隨著風(fēng)壓等級(jí)的降低而明顯下降；但是當(dāng)空氣沿對(duì)角線方向吹向設(shè)備時(shí)，不同風(fēng)壓等級(jí)下鋼支架的最大等效應(yīng)力差別不大。所有工況下的最大等效應(yīng)力值均明顯小于鋼材的屈服強(qiáng)度值，且等效應(yīng)力較高的區(qū)域十分有限，故鋼支架的屈服失效風(fēng)險(xiǎn)較小。

從整體來看，鋼支架整體結(jié)構(gòu)形式具有較高的抗側(cè)剛度，抗風(fēng)能力較強(qiáng)，在設(shè)計(jì)中調(diào)整構(gòu)件截面和材料強(qiáng)度能較明顯的提高設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性。