摘 要

伴随着经济的飞速发展，目前全世界环境问题已经摆在了一个日益突出的地方，而作为废气排放的最尾端设备——烟囱，也引起了人们的重视。在我国，每天都会有大量的废气排放，而这废气在经过冷凝，脱硫等处理之后排入到空气当中才不会对空气造成污染。然而这同时也会导致烟囱受到腐蚀，最传统的烟囱一般都采用特种的防腐合金钢，但是就目前来看，无论是从防腐蚀的效果还是从经济效益上面来看，这种合金钢都不能达到人们预期的目标。

新型材料FRP，以玻璃纤维为增强材料，与各种树脂复合形成，具有很好的防腐蚀性以及经济效益，同时便捷生产周期短、寿命长，强度可与钢材相媲美。但是由于玻璃钢材料进入我国时间不长，发展时间短，与国外相比还有较大的差距，国内目前也没有统一的尺寸标准。

因此，本次研究结合国内外玻璃钢发展，采用ANSYS 有限元分析软件，研究在风载作用下高耸玻璃钢烟囱的受力分析情况，进行强度校核，并且通过结果对实际问题进行一定的优化。

关键词：烟囱；玻璃钢；风载；ANSYS；

ABSTRACT

With the rapid development of economy, the world environment problem has been placed in a more prominent place, all over the world are trying to solve environmental problems, as the equipment at the end of the exhaust emission of the chimney, also attracted the attention of the people. In our country, every day there will be a lot of exhaust gas and this exhaust gas after condensation, after desulfurization treatment into the air will not cause pollution to the air. However, this will also lead to chimney corrosion, most traditional chimney generally adopts special anti-corrosion alloy steel, but at the moment, whether it is from the anti corrosion effect or the economic benefits of the above this combination. Steel is not meeting its intended goal.

Just at this time, a new composite material FRP, a glass fiber as the reinforcing material, and a variety of resin composite formed, has good corrosion resistance as well as economic benefits at the same time, convenient and short production cycle, long service life, can be comparable with the strength of steel. But due to the glass steel material into China not for a long time, the development time is short, compared with foreign countries there is not a small gap, even design of FRP chimneys have no standards in China. Therefore, this study combined with the domestic and foreign development of FRP, using finite element analysis software ANSYS, analysis of the stress of FRP chimney under wind load. The situation, and through the results of the actual problems of certain optimization.

Key Words：chimney；glass steel；the wind load；ANSYS；

目 录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 玻璃钢烟囱简介 1

1.2.1 玻璃钢的简介 1

1.2.2 玻璃钢的用途 2

1.2.3 玻璃钢烟囱的简介 2

1.3 玻璃钢烟囱的参数 3

1.4 玻璃钢烟囱在国内外的发展历史 4

1.4.1 玻璃钢烟囱在国外的发展史 4

1.4.2 玻璃钢烟囱在国内的发展历程 6

1.5 研究内容和方法 7

1.5.1研究内容 7

1.5.2 研究方法、目标和方案 8

第二章 玻璃钢烟囱的有限元建模 9

2.1 有限元法概述 9

2.2 ANSYS有限元分析方法的基本过程 9

2.2.1 ANSYS软件概述 9

2.2.2 ANSYS有限元分析的基本步骤 10

2.3 玻璃钢烟囱有限元建模 10

2.3.1建模 10

2.3.2 玻璃钢烟囱的几何模型的简化 11

2.3.3 玻璃钢烟囱的模型建立 11

2.4 本章小结 13

第三章 玻璃钢烟囱的有限元分析 15

3.1 玻璃钢烟囱的有限元分析 15

3.1.1 网格划分 15

3.1.2 载荷和约束的施加 15

3.1.3 定义材料常数 16

3.2 玻璃钢烟囱的受力分析研究 17

3.2.1 玻璃钢烟囱受力分析求解 17

3.2.2 有限元模型受力分析后处理 17

3.2.3强度校核及评价 19

3.3 存在问题与误差分析 20

3.4 本章小结 21

第四章 全文总结 22

4.1 全文总结 22

4.2 展望 22

第一章 绪论

1.1 研究背景

在工业生产中, 人们通过烟囱、排气筒等向高空排放各种废气^[1]。随着全球经济迅猛发展，随着我国对环境保护工作的日益重视，导致各类锅炉、窑炉、焚烧炉等设备尾气的排放必须要满足国际排放标准，因此相关的设备在进行工作的同时必须要增加有效的尾气处理设施，这也在一定程度上对尾气排放最末端的设备----烟囱带来了影响，尤其是在针对尾气中的腐蚀性方面，原来所使用的材质早就已经无法满足现代环保的追求，需要一种更好的材质代替早期材质成为烟囱的制作材料。而玻璃钢作为新型复合材料，已经逐渐在各个行业中展现出了自己优异的性能，特别是关于烟道方面，烟道一般需要满足耐腐蚀、直径大、跨度大的要求，由于玻璃钢具有出色的耐腐蚀性能和可设计性^[2]，因此近几年玻璃钢材质的烟囱不断涌现，随着技术的不断研究与开发，玻璃钢烟囱的高度及口径，厚度也不断在增加，使用效果非常理想，玻璃钢材质的烟囱在工业中所起到的作用已经超出了人们的预期。因此，在近些年来，玻璃钢烟囱逐渐取代原来的一些材料，成为了现代建设的主要材料之一。它的优越性能使得世界已经开始重视这种新型复合材料，并且国外在玻璃钢烟囱的研究开发上已经先行一步，国内向国外学习玻璃钢烟囱的设计研发必须早日提上日程，充分利用玻璃钢的优秀特性，加大国内的玻璃钢烟囱的应用规模已经势在必行，玻璃钢设计与研发技术的日益成熟，也必将为电力行业响应国家环保号召，发展清洁能源发挥积极的作用。

1.2 玻璃钢烟囱简介

1.2.1 玻璃钢的简介

玻璃钢是以玻璃纤维为增强材料，与各种树脂复合而成的一种新型复合材料（FRP）强度^[3]。其可与钢材媲美，又是以玻璃纤维为增强材料的，因此又被称之为玻璃钢，在复合材料中起到主要作用的是玻璃纤维，它能够赋予复合材料强度和刚度。而基体材料则起到配合的作用，起到支持和固定纤维、传导荷载、保护纤维等功能。且目前有实验证明，目前玻璃钢能够承受700公斤每厘米的压力，这已经完全满足大部分建造工艺中所需求的高强度应力。

玻璃钢所具有的优秀性能如下：

（1）耐腐蚀性能突出

（2）具有很强的可设计性

（3）安装十分便捷

(4)产品的性能优异

(5)低成本、高效益

(6)制作周期短，寿命长

就目前而言，玻璃钢这种新型的复合材料已经展现出了强大的性能，能够适应多种领域的实用，并且在建筑发展中占据着越来越重要的作用。

1.2.2 玻璃钢的用途

玻璃钢是近50年开发出来的新型复合材料，现在玻璃纤维产量的70%都用于制造玻璃钢，玻璃钢硬度可与钢相媲美，但是比钢材却轻得多。喷气机飞机上用它来作油箱和管道，可以减轻飞机的重量；宇航员登上月球时身上的微型氧气瓶也是由玻璃钢材料制成。玻璃钢材料易加工，不锈不烂，也不需要油漆。我国已广泛的采用玻璃钢制造各种小型汽艇、救生艇、游艇，以及汽车制造业等领域，通过这个新型材料的流行节约了不少钢材。由于玻璃钢是一种复合材料，其性能的适应范围非常广泛，因此它在市场方面有很大的发展前景。根据有关的资料显示，世界各国对玻璃钢材料的开发都十分迅速，目前玻璃钢材料种类已经达到了4万种左右。虽然各国均需要根据本国自己的发展情况去开发玻璃钢制品，各国开发玻璃钢材料的方向也各有不同，但玻璃钢产品的应用基本上已经覆盖了各个工业部门。我国的玻璃钢工业虽然相对于欧美发展较晚，但是经过四十多年来的发展，也已在国民经济的各个领域中取得了成功的应用，在国民经济建设中成为了至关重要的一环。现如今在国内玻璃钢的主要应用领域如下：

（1）建筑行业：冷却塔、玻璃钢门窗等方面；

（2）化学化工行业：耐腐蚀管道、通风设施、污水和废水处理设备等；

（3）汽车及铁路交通运输行业：汽车壳体、车门、保险杠等；

（4）铁路运输行业：火车窗框、行李车车门等；

（5）公路建设行业：交通路标、隔离墩、标志牌等；

（6）水路运输行业：内河客货船、捕鱼船、救生艇、各种游艇；

（7）电气工业及通讯工程：电缆保护管、绝缘杆等。

1.2.3 玻璃钢烟囱的简介

玻璃钢烟囱的主体部分是由缠绕工艺制成的,缠绕成型的玻璃钢制品由层合结构组成。由于玻璃钢烟囱长度比比较大，需要一整套成熟的、可靠的生产和安装工艺以确保烟囱的安装精度（尤其是垂直度）。另外玻璃钢烟囱的大小、直径等尺寸可以根据现场的实际情况进行定制，可以满足现场环境不同的需求。同时，形状也可根据现场具体的不同情况进行设计。玻璃钢烟囱现广泛应用在电力、化肥、化工、冶炼、石油等行业，作为腐蚀性或高温烟气的处理设备。如下图1.1所示的这根玻璃钢烟囱高达105.2m，直径2m，是我国国内最高的由玻璃钢材质制成的烟囱。

图1.1 玻璃钢烟囱

由于很多烟囱的工作温度较高（一般为50-180℃），烟气成分复杂，一般具有腐蚀性，因此一般树脂不能满足其要求，所以选择内衬树脂及结构层树脂的关键是能否满足在高温情况下的腐蚀要求，结构层树脂选材也需适应耐高温要求，还需考虑结构树脂的断裂延伸率与内衬树脂的断裂延伸率相匹配。考虑到安装的方便性，可根据客户安装要求，将烟囱进行分段加工，然后在现场组装；也可根据客户的意愿来设计安装工艺。

1.3 玻璃钢烟囱的参数

首先对玻璃钢烟囱的自身参数进行选择。烟囱的高度按照国际大多数烟囱高度达到60米，内径3米，外径0.5米，烟囱本身的密度按国际标准定为1800。通过对玻璃烟囱的不同高度处分别安置x、y方向位移约束的铁架，每组俩个位移约束，比较不同高度的位移约束在后处理中的位移以及应力情况，选择位移和应力相对较小、较合理的一组，最终选择出烟囱的位移约束在30米和55米的这一组高度。

其次确定玻璃钢烟囱的外部施加参数。在玻璃钢烟囱高10米以下的风速按照国际标准设置为68.5m/s，10米以上高度处每隔五米计算风速如下：

（1-1）

式中，h是玻璃钢烟囱上某微元的高度；为标准风速68.5m/s；

风载荷以5米为阶段，一个阶段的风载大小以最低处为准，风载向力的转换公式如下：