料倉靜力學有限元分析及結構優化

摘要：根據料倉在儲存物料的實際工作情況，利用ANSYS 軟件主要對料倉的三種加強筋不同布局（等距加強筋、加寬加強筋，同時等間距分布和加密加強筋，同時等距分布）進行比較分析。其結果表明：加密加強筋，同時等距分布的結果最佳。

關鍵詞：料倉；有限元；ANSYS；優化設計

中圖分類號：TU249.2文獻標識碼：A文章編號：1006-8937（2011）18-0008-03

1料倉的建模

文章選取的筒倉工程實例是江蘇省某飼料機械企業某深倉，該倉為單列倉，由一大一小兩個倉并排組成，大倉短邊1 500 mm，長邊1 800 mm；小倉短邊1 200 mm，長邊1 500 mm。倉壁的總高度為8 000 mm，上部3 500 mm的倉壁厚為2.5 mm，下部4 500 mm的倉壁為3 mm。整個倉采用A3鋼鉚接而成，彈性模量E=2.1e11 Pa，泊松比為0.3。倉壁有加強筋設計。儲料為小麥，重力密度為8 kN/m3，大倉的水力半徑為405 mm，小倉的水力半徑為333 mm。貯料與倉壁的側壓力系數為0.4，貯料的內摩擦角為25°，修正系數為0.3。

圖1為用三維造型軟件SolidWorks建的模型，該模型由多個曲面組成，沒有厚度，以便在有限元分析軟件ANSYS中指派殼單元進行分析研究。

2有限元分析

ANSYS作為最常用的有限元分析軟件之一，在結構領域有強大的計算功能，一般包括靜力分析和動力分析，靜力分析包括線性和非線性兩大部分。 文章討論的是深倉不考慮溫度應力下的靜力分析問題。

2.1工況

一般說來，也就是在理想狀態下，假設深倉始終處于建造時的溫度。在該溫度下筒倉不會有任何溫度應力，只承受貯料的各項影響。假設筒倉建造時的平均溫度為15℃，即ANSYS參考溫度為15℃。本章的模型只考慮了貯料對筒倉的各項影響，并未考慮風、地震、基礎沉降等外界因素對筒倉產生的作用。由前文可知文章筒倉建模以及有限元分析所需的基本數據，在求解前利用筒規范中所提供的公式對各種靜力荷載進行先期處理，采用最接近實際情況的加載方式，然后求解得到合理的結果。考慮極限工況，將大小倉滿載，算出倉壁的位移和應力。

2.2位移分析

由圖2可以看到，在靜力狀態下，倉壁位移最大的區域在倉壁下部第二塊加強筋和第三塊加強筋處，倉壁在這個區域內最容易出現裂縫。

2.3應力分析

ANSYS結果后處理中，同樣可以顯示很多不同的應力值。ANSYS后處理節點應力中除了x，y，z方向應力和第一、二、三主應力al、a2、a3之外；還可以顯示stress intensity（應力強度），它是由第三強度理論得到的當量應力，其值為第一主應力減去第三主應力；另外，vonmises應力是應用的最廣泛的數值，vonMises是一種屈服準則，在Ansys后處理中，“VonMisesStress”習慣稱為MISES等效應力，它遵循材料力學第四強度理論（形狀改變比能理論）。第三強度理論認為最大剪應力是引起流動破壞的主要原因，如低碳鋼拉伸時在與軸線成45°的截面上發生最大剪應力，材料沿著這個平面發生滑移，出現滑移線。這一理論比較好得解釋了塑性材料出現塑性變形的現象。形式簡單，但結果偏于安全。第四強度理論認為形狀改變比能是引起材料流動破壞的主要原因，其結果更符合實際。從圖3中可以看出，倉壁上各處應力值大部分在0~30 MPa之間。

3料倉的優化設計方案

為了盡可能得不改變原方案的工藝過程，在優化的時候，主要考慮改變加強筋的形狀和布置方面。

優化方案一：等距加強筋。將加強筋等間距布置，同時保證沿著長度方向上加強筋的寬度和未加強部分的寬度距離相等，優化方案一的綜合位移云圖及等效應力云圖分別如圖4、圖5所示。

優化方案二：加寬加強筋，同時等間距分布。優化方案二的綜合位移云圖及等效應力云圖分別如圖6、圖7所示。

優化方案三：加密加強筋，同時等距分布。優化方案三的綜合位移云圖及等效應力云圖分別如圖8、圖9所示。

優化方案四：減厚0.5 mm壁厚，加密等距布置加強筋，優化方案四的綜合位移云圖及等效應力云圖分別如圖10、圖11所示。

4結構優化前后的有限元計算結果對比

優化方案的對比如表1所示，可見，優化方案三最能提高料倉的強度和剛度，但是過于安全，在優化方案三的基礎上減薄壁厚，即優化方案四，能在保證可靠性的同時，節省材料，降低成本，提高經濟效益。

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