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ANSYS二次开发技术在锅炉钢架结构分析中的应用

文档作者：陈铭李耀荣宋继顺王玉龙文档来源： 1．天津理工大学材料科学与工程学院 2．天津市光电显示材料与器件重点实验室 3．天津宝成机械制造股份有限公司			点击数：
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第45卷第2期
2014年3月
锅 炉 技术
BOILER TECH N0L0GY
Vo1．45，NO．2
M ar．．20l4
【计算机应用】
ANSYS二次开发技术在锅炉钢架结构分析中的应用
陈 铭 ，李耀荣。，宋继顺。，王玉龙
(1．天津理工大学材料科学与工程学院，天津300384； 2．天津市光电显示材料与器件重点实验室，
天津300384； 3．天津宝成机械制造股份有限公司，天津300350)
摘 要： 以ANSYS的APDL语言为基础，利用Visual Basic为开发工具，编制了锅炉钢架计算程序。软件
实现了以点和面来控制线的逆向建模方式，用户输入节点信息，选择杆件截面类型，即可快速完成有限元模型
的建立；对锅炉钢架上经常作用的4类荷载的以更接近实际的方式施加，并自动调用ANSYS进行2种组合工
况的计算；计算结束，实现了结果的反馈并形成计算书。
关键词： 有限元；Visual Basic；锅炉钢架；荷载；二次开发
中图分类号：TK223 文献标识码：A 文章编号：1672—4763(2O14)02—0055-05
0 前 言
锅炉钢架是锅炉本体的主要承重结构，是典
型的柔性结构。国内锅炉钢架设计主要依靠设
计人员的设计经验，结合已有的钢结构设计软
件，采用重复设计方法进行设计[】]。这种设计方
法耗费大量的时间和精力，得到的结果却不一定
精确。计算机的出现及有限元理论的发展，Corn—
puter Aided Engineering(以下简称CAE)技术得
到了越来越广泛的应用，为此采用有限元的设计
方法，但是有限元方法分析过程过于繁琐，不能
较好为设计人员所掌握。用CAE软件更加简洁
精确的模拟工程实际情况是CAE技术的目标，
能够结合大型通用有限元分析软件，对其进行二
次开发，简化操作，对于提高锅炉钢架设计效率，
很有意义。
本文编制以循环流化床锅炉钢架为主要适
用对象的计算程序，提出适用于ANSYS的快速
建模方法、贴近实际的荷载施加方式及计算、计
算结果的实时反馈。
1 快速建模
在实际的工程设计中，结构的形式会十分复
杂，要考虑到各方面的因素，比如杆件的材料、安
装误差、加工误差、工程成本、使用要求等。因此
在建立模型时，不能做到面面俱到，完全与实际
相符合，要把握主要因素，忽略次要因素，建立计
算模型应遵循荷载等效原理和荷载局部性原理，
合理简化结构，节省计算时间。锅炉钢架几乎没
有一个完整的层面，若建模时采用跨数及层数的
方法，要完成锅炉钢架的建模会非常困难。结合
ANSYS结构分析的特点，提出以点和面(杆件截
面)来控制线的逆向建模方式，从而实现复杂的
三维模型建立。
1．1钢架节点
对锅炉钢架，如果使用实体建模，建模过程
会较为复杂，且划分网格后模型文件会很大。用
点、线及截面就可以准确描述整个模型。由“经
过两点有一条直线”的公理可以推知：模型建立
过程中，由点和面(杆件截面)控制线的逆向建模
方式，更能很好的控制完成钢架力学模型的建
立。因此设计人员首先按图纸进行节点的编号
及输入。
通过控制任意位置的节点编号，实现截面的
选择、约束与荷载的施加以及提取分析结果等。
对于程序的编制，首先需要对存储坐标信息的数
据类型及动态数组进行声明，通过坐标信息动态
数组，实现对编号及关键点的X、y、Z坐标存储
及修改等操作，从而为后续的分析提供便利。声
明程序如下l2]：
收稿日期：2013—05—15
作者简介：陈铭(1988一)，男，硕士在读，主要从事钢结构的设计研究。
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锅 炉 技 术 第45卷
’声明坐标信息结构类型
Private Type zuobiao
bianhao As Long
zuobiaoX As Long
zuobiaoY A s Long
zuobiaoZ As Long
End Type
’声明坐标信息动态数组，对编号及X、y、Z
坐标，进行独立控制
Private zuobiaoxinxi()As zuobiao
zuobia0xinxi(i)．bianhao— BH．Text
zuobiaoxinxi(i)．zuohiaoX =：=X ，Text
zuobiaoxinxi(i)．zuobiaoY— Y．Text
zuobiaoxinxi(i)．zuobiaoZ— Z．Text
1．2杆件截面
钢架主要由柱、梁、斜撑以及附属桁架等几
部分组成。钢架结构形式复杂，截面形式多样
化，即整个钢架并不是由一种梁截面构成而是由
多种截面组成。为满足结构需求及承重要求，普
通热轧工字钢应用较多。当使用单一的热轧型
钢无法满足设计要求时，可以采用钢板焊接工字
钢梁、钢板焊接箱型梁、钢板焊接槽钢梁、焊接H
型钢等组合梁。常用截面类型如表1所示：
表1 截面类型
钢板箱型截面 槽钢一钢板截面 H 型钢截面
EI L3 I i
；：1 ■ r __jL
一
。 fI BI I
整个钢架结构截面种类多，分布于不同的部
位。为实现对不同截面的独立操作，互不影响，
将具有相同截面的杆件分为一组。对属于一组
的杆件选择截面并设置单元长度，完成网格划
分，然后再进行下一组的单元生成过程。功能实
现的原理包含以下3部分：
(1)生成杆件组
将具有相同截面的杆件分为一组，并命名为
GJzushu(zushu为杆件所在的组序号)，在AN～
SYS中通过“CM”命令实现组的划分，“CM”主要
实主要功能是将所选择的杆件生成一个元件[3]。
使用格式如下：
CM ，Cnam e，Entity
Cname：杆件组的名称。Entity：元件中的数
据类型，它的值有：VOI U、AREA、LINE、KP、
ELEM 和NODE。
(2)组序号的确定
每次对具有相同截面的杆件分组后，立即进
行网格的划分，因此网格划分命令“I MESH，all”
出现的次数等于已经划分的组数，“zushu”的值
通过统计主界面文本框中网格划分命令
“LMESH，all”出现的次数来确定，这个过程可以
由VB的For循环命令实现：
Dim As Integer
J= 0
For i一1 To Len(zhujiemian．APDL．Text)
If Mid(zhuiiemian．APDI ．Text，i，9)= ”
I MESH ，all”Then
J— J 4-1
End If
Next i
zushu —
(3)截面创建
锅炉钢架截面种类多，用户可以提前建立所
需截面的宏库文件，需要时只需进行选择即可。
按照统计的截面如果没有所需的截面，那么进行
创建，创建完成后自动在截面名称选择框中添加
对应的截面名称及在工作目录下产生对应截面
的创建宏。其中ANSYS的截面创建需要用到辅
助单元Plane82来自定义截面。
2 计算
进行分析时必须先计算作用于钢架上的各
个荷载，然后根据实际情况将这些荷载分配到梁
上。锅炉钢架荷载可分为：永久荷载、活荷载、风
荷载、地震作用 ]。接近实际且有效的荷载施加
方式，是有限元分析精确度的一个关键所在。而
风荷载与地震作用是荷载施加的难点所在。
2．1风荷载
我国锅炉钢架抗风设计常采用拟静力法，即
将风荷载转化为静力，与其它荷载进行荷载组
合，加载于钢架上，求解钢架内力和位移，计算风
荷载时考虑风压高度变化系数、结构体型系数，
并采用风振系数的形式来考虑结构的风振动力
效应[ 。
施加荷载的大小按《锅炉钢结构设计规
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第2期 陈铭，等：ANSYS二次开发技术在锅炉钢架结构分析中的应用 59
The Secondary Development of ANSYS Appl ies
to Analysis for Boilet Steel Frame
CHEN Ming ， I I Yao—rong。， SONG Ji—shun ， W ANG Yu—long。
(1．College of Materials Science and Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China
2．Tianjin Key Lab of Photoelectric Materials and Devices，Tianjin 300384，China；
3．Tianiin Baocheng Machinery Manufacturing Incorporated Company，Tianjin 300350，China)
Abst ract： Established the boiler steel calculation procedures through ANSYS APDL lan—
guage and Visual Basic development too1．Software achieved reverse modeling that line is con—
trolled by point and face，user enter the node information，and selected the type of rod cross—
section，then can complete finite element model quickly；summarize four loads calculation
principle，and the applied loads’method is much closer to realistic，and call ANSYS to caleu—
late the two com bined conditions automatically；W hen the calculation iS finished，then form
calculation sheet at last．
Key words：Finite Element Method； Visual Basic； boiler steel frame； load； secondary
developm ent
(上接第25页)
取样器管座和接管常常会通过异径管连接，
如果取样管路布置的柔性不足会导致此处焊缝
的应力过大，引起裂纹或断裂，所以要合理布置
取样管路及其支吊架。在布置时应注意：
(1)取样器的位置：蒸汽中固体和液体杂质以
灰尘或雾形式存在，其密度大于蒸汽，且分散不均
匀，取样前应采取分离措施。在蒸汽管路上取样，
常将取样器径向插入，以保证取样有代表性。
(2)取样速度：取样时蒸汽速度一定要稳定，
而且进取样器的速度一定要与蒸汽流动的速度
一致。为了减少杂质损失，蒸汽须保持较高速
度，尤其是垂直向上取样时更需要高速。
(3)过热蒸汽：为防止过热蒸汽中的杂质在
取样管表面沉积，取样时须从取样器顺流方向处
采集试样。为防止盐析现象发生，应向取样器内
注入足量的水，以除去过热，产生少量湿度。
3 结 语
通过对多孔型蒸汽取样装置的设计、安装的
一个简单介绍，具体设计取样装置时需要根据不
同的炉型、管道直径、设计参数选用合适的形式，
对于管接头要进行强度校核，特别是大直径管道
采用的取样管接头除校核强度外，在设计时还要
考虑振动的影响。
参考文献：
[1]GB／T 14116-2010．锅炉蒸汽的采样方法ES]．北京：中国
标准出版社，2010．
E2]张琦恩．蒸汽取样器标准的设计[J]．锅炉制造，1994(3)
Design and Instal lat ion of Steam Sampler
XU Yan—xia
(Shanghai Boiler W orks Co．，Ltd．，Shanghai 200245，China)
Abst ract：The kinds and character of steam samplers are introduced．Sampling precision will
influence the safe running of electric equipment． Design of sampler is introduced． Design
process of multi—port sampler is introduced in the paper．The location of samplers and the in—
stallation methods are important to precision sample． The notes of samplers installation
should be observed．
Key words：steam sampler； installation； isokinetic sample； sample rate
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