直径60米储罐顶盖单层铝网壳结构的节点受力分析

直径60米储罐顶盖单层铝网壳结构的节点受力分析赖盛（上海宝山石油机械厂，上海市宝山区201908）本课题为上海市宝山区科学技术委员会资助项目摘要：本文采用了ANSYS有限元仿真软件，对上海赛科石油化工有限责任公司所建的4台直径60米储罐顶盖单层铝网壳结构的节点进行了分析，通过对节点上的连接杆件、节点板、螺栓的整体协同仿真受力分析，得到了一些有意义的结论。关键词：单层铝网壳结构；板式节点；整体协同；仿真；有限元分析中图分类号：TU395；TU33文献标识码：ASTRESSANALYSISOFTHEJOINTOFANALUMINUMDOMESTRUCTUREINDIAMETER60mOFTANKLaiSheng（ShanghaiBaoshanPetro-MachineryPlant,ShangHaiBaoShan201908）Abstract:ThetypicaljointanaluminumdomeinthemiddleoftheSHANGHAISECCOPETROCHEMCALCOMPANYLIMITEDisanalyzedusingthefiniteelementprogramANSYS.Thestressdistributionsinthestructuralaluminummember,thegussetplate,thelockboltfastenerarerespectively.Basedontheanalysis,someconclusionsaremadeinthepaper.Keywords：aluminumdomestructure,platejoint,simulate,finiteelementanalysis2004年初，上海赛科石油化工有限责任公司所建的4台直径60米储罐顶盖单层铝网壳结构相继陆续完工。这些铝网壳结构是由上海宝山石油机械厂设计、制作、安装的。铝网壳直径60米，网壳矢高10米。图1和图2是铝网壳及其节点的工程照片。图1直径60米罐顶铝网壳照片Fig.1Photoofdiameter60maluminumdomeoftank铝网壳结构采用的铝型材为6061-T6，连接螺栓为A2-70的不锈钢螺栓。铝网壳结构的杆件为特殊设计的工字型截面。网壳结构的典型节点如图2所示，节点上共有6根工字型截面杆件、上下有两块铝合金板，通过不锈钢紧固螺栓与杆件连接。图2铝网壳结构的节点照片Fig.2Photoofjointofaluminumdome这种通过紧固螺栓，把节点板和杆件相连的节点，我们把它称为“板式节点”。板式节点与其它形式的节点相比，具有结构简单轻巧、节点重量轻、节约材料、不需要焊接、施工安装方便、外形美观等优点。这些直径60米的铝网壳结构每台安装不到10天，这样的安装速度是其它大跨度结构形式所不能相比的。节点在网壳结构中具有特殊的作用和重要性，网壳结构中上部的杆件内力，要通过节点的传递过度，逐步地把荷载应力传送到支座节点。每个节点上有很多连接杆件，每个杆件处于空间位置是多方位的，通过节点传递的三维力流也是极为复杂的，节点设计的好坏，无疑是铝网壳结构成败的关键因素之一。本文对板式节点的三维受力情况运用ANSYS仿真软件，对整个节点进行了详细的分析，目的在于了解整个节点的受力状况，进而探求这种板式节点的破坏机理。1基本假定1)非线性接触分析；2)所有接触面的摩擦系数按0.4来考虑；3)螺栓没有施加预紧力；4)因杆件的扭矩很小，不考虑杆件扭矩的影响；5)不考虑螺栓孔间隙的影响，既螺栓孔的直径和螺栓的直径相等。2分析模型的建立为了建立精确真实的实体模型，我们运用三维实体模型软件，对铝网壳的某一杆件受力最大的节点，取其中心点500mm范围内的所有实体建模，见图3。图3板式节点实体模型Fig.3Modelofplatejoint在三维模型软件完成实体建模后，我们通过专门的转换软件传送到ANSYS有限元软件包中。图3的节点实体模型就是转换到ANSYS软件后所显示的情况。工字型杆件的外形截面尺寸：250x100mm。节点板的直径为400mm，厚度为10mm。不锈钢螺栓的直径为12mm。3网格划分本文中所分析的杆件、节点板和连接螺栓均采用8节点四面体三维实体单元，每个节点有3个自由度。网格划分采用了软件中网格优化处理的功能，对可能应力集中的地方，网格自动做了加密处理。每个螺栓的单元达820个，每根杆件的单元达4800个，每块节点板的单元达5000个。整个分析模型的单元总数接近10万个。这样高密度网格划分，对取得较为精确的结果提供了保证。具体划分出的网格如图4所示。图4板式节点的有限元网格划分Fig.4Meshofplatejointmodel4加载及边界条件处理节点区域的6根杆件受力情况实际是结构节点空间自相平衡的复杂力系。根据内力分析结果，所分析节点的6根杆件内力如下：第一根杆件：N=92154N；M1=54635N-mm；M2=179726N-mm；第二根杆件：N=126499N；M1=115237N-mm；M2=524790N-mm；第三根杆件：N=21248N；M1=16137N-mm；M2=769918N-mm；第四根杆件：N=108453N；M1=153608N-mm；M2=713409N-mm；第五根杆件：N=127182N；M1=104696N-mm；M2=225134N-mm；第六根杆件：N=44226N；M1=19116N-mm；M2=1306084N-mm；图5节点的加载及约束Fig.5Load&boundaryofjointmodel图5所示的图形是分析模型加载后的情况，对力加载的大小及方向均可一目了然。从理论上说，节点上的力系在空间应当是自相平衡的。但由于我们省略了极小的杆端扭矩，再加上我们在分析模型杆端加载的位置离节点中心有一定的距离，与结构内力分析时把节点理想化为一点存在着差异。故我们现在所建立的分析模型将存在着很小的内力不平衡状况，为了能顺利完成仿真分析，我们在下节点板的中点加了一个约束支点。对本分析模型而言，节点板、杆件和螺栓三者之间相互形成的摩擦接触面多达156对。对这些摩擦接触面的摩擦系数全部按0.4来考虑。5结果分析及讨论图6板式节点的应力图Fig.6Stressofjointmodel图7板式节点的变形图Fig.7Deformationofjointmodel从图6的节点应力图和图7的节点整体变形图来看，节点板的变形非常小，板式节点具很高的刚度。下面将对板式节点的各个部分进行详细的分析：5.1杆件工字型杆件的外形截面尺寸：250x100mm。铝型材为6061-T6，其屈服强度为265N/mm2，抗拉强度为300N/mm2。对杆件的受力分析，我们从一个节点所连的六根杆件中，提取受力最大的杆件（见图8）来做分析。图8分析的杆件在节点的位置Fig.8Positionofmemberinjoint在螺栓孔的边缘存在着应力集中的现象，这种现象从节点板外边缘往节点中心逐步减轻，杆件的应力分布见图9和图10。节点板外边缘的两螺栓孔间应力约80N/mm2；杆件的最大应力处于在杆端处的腹板处，其应力约为160N/mm2，与屈服强度相比其安全系数为1.66，与抗拉强度相比其安全系数为1.88。图9分析杆件应力分布图Fig.9Stressofmember图10杆端应力图的局部放大Fig.10Stressofmemberend5.2节点板节点板的直径为400mm，厚度为10mm。铝型材为6061-T6，其屈服强度为265N/mm2，抗拉强度为300N/mm2。所分析的上节点板在模型中的位置见图11。图11分析的节点板在节点的位置Fig.11Positionofplateinjoint从应力图（见图12和图13）上可以看出，节点板上的螺栓孔边缘也存在应力应力集中现象，但由于节点板的厚度较杆件翼缘板厚，其应力集中现象的幅度要比杆件小的多。因接触面摩擦力的关系，节点板的内表面应力要大于节点板的外表面应力；节点板外表面螺栓孔间应力约86N/mm2，最大应力在节点板内表面螺栓孔间应力约100N/mm2，与屈服强度相比其安全系数为2.65，与抗拉强度相比其安全系数为3.00。图12上节点板的外表面Fig.12Stressofoutsidesurfaceoftopplate图13上节点板的内表面Fig.13Stressofinsidesurfaceoftopplate5.3螺栓不锈钢螺栓的直径为12mm。材质及等级为A2-70，其屈服强度为510N/mm2，抗拉强度为815N/mm2。所分析受力最大的一组螺栓见图14。螺栓的应力分布见图15，总的来说螺栓的受力比较均衡，螺栓中所受的最大应力约为223N/mm2，与屈服强度相比其安全系数为2.29，与抗拉强度相比其安全系数为3.65。图14分析的螺栓在节点的位置Fig.14Positionofboltsinjoint图15螺栓的应力分布图Fig.9Stressofbolts6结论从上述对板式节点各部分详细分析可以看出：1）节点板和连接螺栓具有相似的安全度，是板式节点中强度和刚度最高的部件。2）杆件是板式节点中最薄弱的部分。3）板式节点的破坏机理是：杆件最先破坏、其次是节点板曲屈、最后才可能发生连接螺栓的破坏。4）板式节点的设计符合“强节点弱杆件”的结构设计基本准则。5）板式节点以其简单的构造，迅速便捷的施工安装特性，是单层壳体结构一种理想的节点形式。