新型干式煤气柜结构风振响应研究

【摘要】：钢铁工业是国家经济建设中能源消耗最大的行业，新型干式煤气柜在节约能源和保护环境上发挥着重大作用，但是其风振理论没有得到相应的发展，至今还没有建立一套通用的大型煤气柜的风荷载和风振响应的理论。因此有必要对煤气柜结构的风压分布和风振响应等方面进行深入研究。本文围绕煤气柜结构的风压分布和风振响应，主要开展了以下工作： （1）煤气柜结构表面风压的数值模拟。阐述了计算流体动力学的基本原理，利用大型流体计算软件对煤气柜结构进行数值风洞模拟，获得了煤气柜平均风压系数的分布情况，为本文煤气柜风振响应计算提供基础。 （2）煤气柜结构的动力特性分析。采用大型有限元软件建立了煤气柜结构精细有限元模型，计算了考虑活塞运动的动力特性分析，获得了煤气柜的频率和振型分布情况。并研究了煤气柜内压对动力特性的影响，发现煤气内压对壳体振动影响较大。 （3）煤气柜结构频域风振响应分析。阐明了计算风振响应的频谱分析法的基本原理。根据数值风洞模拟结果和基于准定常假定下，本文自编频谱分析法的程序，采用CQC法、虚拟激励法和SRSS法进行了煤气柜柜体动力响应的频谱计算，得到位移响应根方差、峰值因子和响应功率谱的分布情况，发现本文煤气柜的共振现象并不明显。分析了参振模态数量、模态交叉项对风振响应的影响，表明模态交叉项的影响不可忽略。分析了基本风压、地貌类型和阻尼比等因素对峰值因子的影响。最后研究了考虑内压影响的风振响应，发现不考虑内压影响时脉动风响应会偏大。 （4）煤气柜结构时域风振响应分析。给出了谐波合成法模拟煤气柜表面风速时程的计算方法，验证了谐波合成法能够较好地模拟该结构的脉动风时程。进行了有限元动力时程响应分析，得到了煤气柜位移响应的平均值和脉动值。通过计算给出了结构各高度处的位移风振系数分布，并分析了活塞位置、基本风压、地貌类型和阻尼比等因素对位移风振系数的影响，综合分析这些因素，对于A、B、C和D类地貌，本文建议整体风振系数分别取为1.8、1.9、2.0和2.4。最后进行了频域与时域风振响应的对比分析，以验证本文编写的程序及其有限元时程响应分析的正确性。 【关键词】：风振响应 风振系数 煤气柜 频域分析法 时域分析法
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TF301
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 1 绪论9-19
• 1.1 引言9
• 1.2 新型干式煤气柜简介9-12
• 1.2.1 新型干式煤气柜组成部分简介9-12
• 1.2.2 新型干式煤气柜的工作原理12
• 1.3 结构风荷载的主要特性12-16
• 1.3.1 纵向脉动风速谱13-14
• 1.3.2 脉动风速的相关性14-16
• 1.4 煤气柜结构风振响应研究现状16-17
• 1.5 本文研究目的和内容17-19
• 1.5.1 研究目的17-18
• 1.5.2 研究内容18-19
• 2 新型煤气柜结构风荷载数值模拟研究19-31
• 2.1 引言19
• 2.2 计算流体动力学（CFD）概述19-20
• 2.2.1 计算流体动力学定义19
• 2.2.2 CFD 技术在建筑风工程上的应用19-20
• 2.3 流体动力学基本控制方程20-22
• 2.3.1 质量守恒方程20
• 2.3.2 动量守恒方程20-21
• 2.3.3 能量守恒方程21-22
• 2.4 流体流动控制方程的离散和求解22-23
• 2.4.1 控制方程离散化的目的22
• 2.4.2 有限体积法22
• 2.4.3 离散方程的数值求解22-23
• 2.5 三维湍流数值模型23-25
• 2.5.1 雷诺平均维纳-斯托克方程23-24
• 2.5.2 三维湍流数值模型分类24-25
• 2.6 煤气柜结构风荷载数值模拟25-29
• 2.6.1 煤气柜计算模型的建立25-26
• 2.6.2 数值模拟结果分析26-29
• 2.7 本章小结29-31
• 3 新型煤气柜结构的动力特性分析31-41
• 3.1 引言31
• 3.2 模态分析概述31
• 3.3 煤气柜有限元模型31-32
• 3.3.1 建立煤气柜有限元模型的简化和假设31-32
• 3.3.2 三维有限元模型的建立32
• 3.4 煤气柜结构模态分析（不考虑内压）32-38
• 3.4.1 柜体在活塞高位状态下的振型和频率32-34
• 3.4.2 柜体在活塞中位状态下的振型和频率34-36
• 3.4.3 柜体在活塞低位状态下的振型和频率36-38
• 3.5 考虑内压影响的煤气柜模态分析38-39
• 3.6 本章小结39-41
• 4 新型煤气柜结构频域风振响应分析41-63
• 4.1 引言41
• 4.2 频谱分析法的基本原理41-47
• 4.2.1 风压谱与风速谱准定常关系41-42
• 4.2.2 模态叠加法求解运动方程42-43
• 4.2.3 基于 CQC 法和 SRSS 法的响应谱计算43-45
• 4.2.4 基于虚拟激励法的响应谱计算45-47
• 4.3 风振响应计算及计算程序编制47-48
• 4.3.1 响应均方根47
• 4.3.2 峰值因子47
• 4.3.3 CQC 法和虚拟激励法计算程序的编制47-48
• 4.4 煤气柜结构的风振响应分析48-61
• 4.4.1 参振模态数量以及模态交叉项的影响48-54
• 4.4.2 频域内结构风振响应分析54-58
• 4.4.3 煤气柜风振响应的参数分析58-60
• 4.4.4 考虑内压的风振响应分析60-61
• 4.5 本章小结61-63
• 5 新型煤气柜结构时域风振响应分析63-89
• 5.1 引言63
• 5.2 基于脉动风速谱的风荷载时程模拟63-68
• 5.2.1 风的基本特性64-65
• 5.2.2 谐波合成法65-68
• 5.2.3 准定常假定68
• 5.3 结构动力时程分析理论68-72
• 5.3.1 结构运动方程的求解68-70
• 5.3.2 时间步长的选取70
• 5.3.3 阻尼矩阵的建立70-72
• 5.4 煤气柜空间脉动风场模拟72-74
• 5.5 煤气柜结构的时域风振响应分析74-84
• 5.5.1 结构响应时程分析74-82
• 5.5.2 位移风振系数参数分析82-84
• 5.6 频域与时域风振响应对比分析84-86
• 5.7 本章小结86-89
• 6 结论与展望89-91
• 6.1 本文工作总结与结论89-90
• 6.2 未来研究工作的展望90-91
• 致谢91-93
• 参考文献93-96

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