水塔流固耦合動(dòng)力特性分析

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1、水塔流固耦合動(dòng)力特性分析［摘耍h木文對(duì)水塔進(jìn)行流固耦合模態(tài)分析，主要對(duì)其自振頻率進(jìn)行研究。在考慮水體晃動(dòng)下，研究蓄水深度、支筒剛度的改變對(duì)其口振頻率的影響，并找出其自振頻率變化規(guī)律和特性。討論了水塔實(shí)際工況中空箱、滿箱時(shí)，在動(dòng)力荷載作用下水塔自振頻率的差異。［關(guān)鍵詞h水塔；流周耦合；有限元法；自振頻率中圖分類(lèi)號(hào)：TU991.34+2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：引言根據(jù)我國(guó)兒次地震災(zāi)害調(diào)查發(fā)現(xiàn)［1］,水箱在地震時(shí)破壞較少，發(fā)生的破壞主要發(fā)生在支承處。因此，可以說(shuō)明水塔的抗震重點(diǎn)在于支承。在計(jì)算支承時(shí)，通常將水體質(zhì)量

2、全部加到水箱上，支承上部簡(jiǎn)化成一個(gè)質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行抗震驗(yàn)算。然而這種簡(jiǎn)化沒(méi)有考慮水體晃動(dòng)対支筒的影響，因此我們需要對(duì)水塔進(jìn)行流固耦合的動(dòng)力特性進(jìn)行分析。鑒于冇限元法在求解流固耦合動(dòng)力分析方面的優(yōu)越性［2］。本文水塔流固耦合動(dòng)力響應(yīng)也釆用有限元法進(jìn)行求解。本工程為某鋼廠一水塔，整體為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)水箱容量1500m3，總高度58.365m,水塔支筒壁厚為0.3m,支筒半徑6.5m,水箱半徑9.5m,材料采用C30混凝土，水塔下部固支于地面上，水塔剖面如圖lo水箱中間設(shè)有人孔及工作平臺(tái)，滿箱時(shí)，即達(dá)到設(shè)計(jì)蓄水容量。

3、圖1水塔剖面圖圖2水塔加載后模型水塔的動(dòng)力計(jì)算理論1.1基本假設(shè)本文假設(shè)流體為無(wú)粘，可壓縮，小擾動(dòng)［3］。水塔結(jié)構(gòu)為線彈性材料。1.2地震條件下考慮水晃動(dòng)水塔有限元?jiǎng)恿Ψ匠掏ㄟ^(guò)固體節(jié)點(diǎn)位移和流體節(jié)點(diǎn)壓力以及它們的插值函數(shù)［3］,即可得到如下基于位移-壓力格式的流固耦合有限元運(yùn)動(dòng)方程：(9)式中，MS和KS為固體部分的總體質(zhì)量矩陣和剛度矩陣，Mf和Kf為流體部分的總體質(zhì)量矩陣和剛度矩陣，式屮為阻尼矩陣，Qs為固體部分的外荷載矢量，為耦合矩陣。1.3不考慮水晃動(dòng)時(shí)有限元?jiǎng)恿Ψ匠虒⑺?nèi)水體作為剛體固結(jié)于水塔的水箱

4、上時(shí)，水塔的動(dòng)力平衡方程［4］為:(10)式屮：M為水塔體系總質(zhì)量矩陣，K為水塔體系總剛度矩陣。水塔自振頻率分析2.1水塔計(jì)算參數(shù)本文采用ansys軟件進(jìn)行水塔流固耦合模態(tài)分析，其主要輸入計(jì)算參數(shù)為：流體密度P1=1000kg/m3,重力加速度g=9.8m/s2,波速c二1414m/s,混凝土彈性模量E二3.0X1010Pa,泊松比口二0.2,鋼筋混凝土密度P2=2400kg/m3o1.2儲(chǔ)水深度對(duì)水塔固冇頻率的影響對(duì)于結(jié)構(gòu)分析來(lái)說(shuō)，我們感興趣的是低階頻率的影響。因此，取水塔儲(chǔ)水深度分別為：0、1、2、3、4

5、、5、6、7,并分別計(jì)算考慮和不考慮水作用時(shí)情況，水塔1階固有頻率如表1所示。衣1水塔結(jié)構(gòu)自振頻率通過(guò)表1可以看tB：1)隨著儲(chǔ)水深度的增加，水塔自振頻率下降的較快，考慮水作用時(shí)的自振頻率要大于不考慮水作用時(shí)的自振頻率。2)根據(jù)頻率與質(zhì)量成反比的關(guān)系可知，水塔自振時(shí)動(dòng)水質(zhì)量要小于塔內(nèi)靜水質(zhì)量。因此，計(jì)算水塔自振周頻率時(shí)對(duì)靜水質(zhì)量進(jìn)行折算，然后作為剛體附加于系統(tǒng)，便可簡(jiǎn)化計(jì)算。根據(jù)文獻(xiàn)［5］將液體作為剛性質(zhì)量附加于系統(tǒng)所算得的基本固有周期的最大可能誤差不超過(guò)20%,本文最大誤差12%,與文獻(xiàn)一致。2.3水塔空箱

6、與滿箱固有頻率的比較表2水塔空箱與滿箱自振頻率通過(guò)表2對(duì)水塔空箱與滿箱結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率比較，可以看出，水的晃動(dòng)會(huì)影響結(jié)構(gòu)的自振頻率。滿箱的自振頻率與空箱相比有所降低，口第一階頻率降低最多，頻率越高，降低越少。在各階模態(tài)中，出現(xiàn)兩個(gè)相鄰模態(tài)的頻率相同現(xiàn)象，是由三維模型的軸對(duì)稱特征造成的，從數(shù)學(xué)上來(lái)說(shuō)是因?yàn)樘卣鞣匠叹哂兄馗?.4結(jié)構(gòu)剛度對(duì)水塔固有頻率的影響在不改變結(jié)構(gòu)形狀及尺度的情況下，通過(guò)增加水塔支筒壁厚來(lái)提高結(jié)構(gòu)剛度。分別取水塔壁厚度200、300、400、500、600mm分析英1階固有頻率，并與各自空箱情況

7、下的結(jié)構(gòu)1階固有頻率比較，如表3所示。表3不同壁厚水塔自振頻率計(jì)算結(jié)果比較從表3可以看出，增加水塔壁厚（提高結(jié)構(gòu)剛度）對(duì)水塔空箱1階固冇頻率影響很小，對(duì)滿箱1階固有頻率影響較大。因?yàn)樵黾铀诤?，從而提高了水塔壁環(huán)向和縱向剛度，因此流體對(duì)水塔固有頻率的影響就漸小，可以得出結(jié)論：結(jié)構(gòu)剛度越大，動(dòng)水壓力對(duì)結(jié)構(gòu)自振頻率影響越小。3結(jié)論本文通過(guò)ANSYS軟件對(duì)鋼筋混凝土水塔自振頻率進(jìn)行了詳細(xì)的分析，得出如下結(jié)論：水體的晃動(dòng)會(huì)影響水塔自振頻率，且隨著儲(chǔ)水深度增人，水塔自振頻率下降的較快，考慮水作用時(shí)的口振頻率大于不考慮

8、水作用時(shí)的自振頻率；結(jié)構(gòu)剛度越大，動(dòng)水壓力對(duì)結(jié)構(gòu)自振頻率影響越??；水塔滿箱時(shí)各階固有頻率低丁空箱時(shí)固有頻率，第一階頻率降低最多，頻率越高,降低越少。［參考文獻(xiàn)］［1］鐵道部第三勘測(cè)設(shè)計(jì)院，水塔［M］.中國(guó)鐵道出版社，1980［2］許洋，ANSYS11.0/FL0TRAN流場(chǎng)分析實(shí)例指導(dǎo)教程［M］?機(jī)械工業(yè)出版社，2009［3］徐剛，任文敏，張維等.儲(chǔ)液容器的三維流固耦合動(dòng)力特性分析［J1.力學(xué)學(xué)報(bào)，