高耸塔器的风振响应与风致疲劳寿命分析

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风载荷是高耸塔器较为敏感的载荷之一,它随时间作随机性变化。在我国沿海等多风地区,长期的风致振动以及台风频繁登陆时的极端大风都有可能对塔器造成疲劳损伤甚至疲劳失效,近年来高耸塔器由此发生的事故也对相关企业造成了较大的经济损失。如何估算多风地区高耸塔器的风致疲劳寿命并分析疲劳损伤规律,以确保其使用安全,已成为一个迫切的要求。但是,目前国内外标准规范中将风载荷等效为静载荷的处理办法,尚不能对高耸塔器作动态响应与随机疲劳寿命分析。针对上述问题,本文的主要研究工作和获得的成果如下。(1)基于随机振动理论、谐波叠加法、风及风载荷的频域特性,利用MATLAB和ANSYS软件编程,模拟获得了沿海某一高耸塔器在各风速下顺风向和横风向的风载荷时程样本及风振时程响应,并通过目标值或频域理论解检验了模拟的精确性。(2)对该高耸塔器在空塔和操作工况下的风振时程响应进行了综合分析,研究表明:在共振风速范围内,该塔器的振动主要是由旋涡脱落引起的横风向振动,其空塔的风诱导共振响应要比操作工况剧烈很多;而在远离共振风速时,该塔器的振动主要是由气流中的湍流成分引起的,其响应值随风速呈指数递增关系,且同风速下的响应值操作工况大于空塔。(3)利用雨流法、Miner疲劳累积损伤理论及BS5500设计疲劳曲线,估算了该塔器在考虑风速风向变化以及台风和空塔共振条件下的风致疲劳评定寿命,分析得出:在旋涡随机脱落的超临界范围内,利用JB/T4710中将旋涡脱落力等效为确定性正弦载荷的卢曼理论估算塔器的疲劳寿命时,其计算结果较为保守;横风向共振是引起该塔器空塔风致疲劳的决定性因素,而9级及以上的大风造成的顺风向振动是导致该塔器在操作工况下风致疲劳损伤的主要原因;若该塔器在运行期间存在缺陷或者较大的应力集中,多次较强的台风载荷可能会对其造成明显的疲劳损伤甚至失效。本文提供的风振响应及疲劳寿命的分析方法,还可对其他多风地区的高耸类压力容器进行相关分析,从而为高耸类压力容器的防振设计、安全评估等提供借鉴。
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