礦槽料倉受力有限元計算與分析

摘要：通過建立礦槽料倉模型，采用有限元分析方法，分析了礦槽料倉在滿載條件下的受力情況。結果表明：礦槽料倉在滿載條件下其底部和上沿的應力較大；當礦槽料倉板厚度為5mm時的結構設計能夠滿足裝袋機在滿負荷工作時的材料強度要求。

關鍵詞：礦槽料倉 受力分析 有限元方法

礦槽料倉是礦山運輸機械中常見的生產設備。在料倉的設計過程中，針對某一具體生產要求對料倉進行受力分析計算一直以來都是非常復雜而又繁鎖的問題。由于生產環境和要求的不同，礦石、煤炭的礦槽料倉受力狀態復雜，力學模型不宜建立，料倉的設計方式以及其實際的受力情況也不相同，因此給料倉設計計算帶來一定困難[1-3]。近些年來，采用有限元分析的方法，在設計過程中對料倉進行有限元分析，得到合理、直觀而又準確的受力分析，已成為料倉設計一種新的設計方法[4]。本文采用有限元分析方法，針對某工程中的礦槽料倉進行受力計算，對小型礦槽料倉的優化設計和力學分析具有一定的指導意義。

1 物理模型

本文研究的礦槽料倉形狀為長方形棱錐體，上寬下窄，容積為4m3，料斗自身重量為578Kg，滿載條件下物料重量為4730Kg。該料倉結構和受力情況如圖1。

2 計算方法

本文利用大型有限元結構分析軟件ANSYS對礦槽料倉進行有限元受力分析。本文首先選擇建模功能強大的SolidWorks軟件按照1：1比例建立三維立體模型，然后再通過SolidWorks和ANSYS的數據接口，將三維模型數據導入ANSYS軟件。

三維模型導入ANSYS后，采用smartsizing（智能單元大小）劃分網格[5]，設置smartsizing的值為4進行自由網格劃分，得到料倉的有限元計算網格，如圖2所示。

單元類型選用Shell63薄板結構，該單元每個節點具有6個自由度：沿節點坐標系X、Y、Z方向的平動和沿節點坐標系X、Y、Z軸的轉動。應力剛化和大變形能力已經考慮在其中。厚度為5mm，鋼的彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.3，密度為7800Kg/m3。單位統一采用國際單位。礦槽料倉上沿四角的支撐處進行自由度約束。施加非均勻分布壓力載荷，壓力載荷隨深度線性增加。壓力載荷：P=ρ物料gh，其中g為重力加速度，h為物料深度。計算采用壓力載荷為滿載情況。

3 結果分析

加載求解后，在通用后處理模塊中查看Von Mises等效應力分布云圖，有限元受力分析結果如圖3和圖4所示，其中圖3表示礦槽料倉底部應力分布，而圖4表示礦槽料倉上沿的應力分布。由計算結果顯示有應力集中，且在礦槽料倉在滿載條件下，其底部和上沿的應力較大：礦槽料倉底部的局部最大應力為110Mpa，礦槽料倉上沿的局部最大應力為141Mpa。

由于實際應用環境的復雜性，為確保礦槽料倉的安全性，鋼板結構必須具有足夠的強度。因此，為保證所設計的礦槽料倉結構的安全性和合理性，利用有限元受力分析結果進行校核材料強度。所設計礦槽料倉材料為Q235鋼板，其許用應力為235Mpa。在滿載條件下，礦槽料倉的最大應力為141MPa，低于其許用應力235MPa。因此，礦槽料倉板厚為5mm的結構設計完全滿足在裝袋機滿負荷工作時的材料強度要求，且富有一定余量。

4 結論

4.1 采用有限元計算礦槽料倉在滿載條件下其底部和上沿的應力較大，當礦槽料倉板厚度為5 mm時的結構設計能夠滿足裝袋機在滿負荷工作時的材料強度要求。

4.2 有限元模擬的計算精度可靠，應力分布數據更加直觀、全面，計算效率更高，便于在工程中推廣應用。

參考文獻：

[1]黃健聰.關于短裙座式支座固體料倉的計算探討[J].廣東化工，2011（2），185-186.

[2]李曉棟.矩形固體料倉[J].工業技術，2011（2）：74-75.

[3]周玉申，譚文雄，馬延軍.料倉的受力分析與計算[J].林產工業，2006，33（1）：22-25.

[4]孫健，武銳.料倉靜力學有限元分析及結構優化[J].企業技術開發，2011（3）：8-10.

[5]鄭曉雯，李錦彪，劉穎等.基于ANSYS Workbench的液壓支架立柱優化分析[J].礦山機械，2011，39（7）：24-26.

作者簡介：蘭長貴（1963-），男，江西萍鄉人，本科學歷，主要從事機械設計、研究與理論分析工作。