基于ANSYS的大型鋼筒倉(cāng)有限元分析

顏偉澤

（福建南方路機(jī)機(jī)械有限公司，福建 泉州 362021）

隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的飛速發(fā)展，建筑混合料（如混凝土、瀝青混合料、干混砂漿等）攪拌設(shè)備趨于大型化，對(duì)鋼筒倉(cāng)存儲(chǔ)量的要求越來(lái)越大。

目前，室外鋼筒倉(cāng)的設(shè)計(jì)大多參考《糧食鋼板筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)于筒倉(cāng)及支承的設(shè)計(jì)往往采用經(jīng)驗(yàn)計(jì)算，缺乏理論依據(jù)。本文詳細(xì)闡述了室外鋼筒倉(cāng)載荷計(jì)算方法，運(yùn)用ANSYS對(duì)某預(yù)研中的1000t鋼筒倉(cāng)進(jìn)行有限元計(jì)算，分析鋼筒倉(cāng)在風(fēng)載及地震工況下的變形及應(yīng)力狀態(tài)，為鋼筒倉(cāng)深一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，改進(jìn)設(shè)計(jì)方法提供理論依據(jù)。

1 幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)

以某預(yù)研中的干混砂漿攪拌設(shè)備外置倉(cāng)容為1000t的鋼筒倉(cāng)為研究對(duì)象，干砂為存儲(chǔ)介質(zhì)，其密度為1600kg/m3，內(nèi)摩擦角為，砂與筒壁間摩擦系數(shù)μ=0.35。該鋼筒倉(cāng)幾何模型如圖1所示，筒倉(cāng)直徑為6800mm，直筒段高度為15600mm，錐段高度為4850mm，錐角為69.1°。筒倉(cāng)為槽鋼箍和鋼板焊接結(jié)構(gòu)，筒倉(cāng)壁厚由上至下依次為5、6、8和10mm，槽鋼箍為槽鋼20a；筒體由均布于φ6800圓周上的8根高7650mm、直徑φ426mm×12的焊接鋼管支柱支承，支柱間斜撐為DN125×4焊接鋼管，為保證筒倉(cāng)出口螺旋安裝，底層兩面無(wú)斜撐。

圖1 鋼筒倉(cāng)幾何模型

2 荷載計(jì)算

鋼筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要求計(jì)算以下主要荷載：重力荷載、物料荷載、風(fēng)荷載、地震荷載等。

2.1 重力荷載

重力荷載包括：結(jié)構(gòu)自重、固定設(shè)備重等，可通過(guò)ANSYS軟件自動(dòng)計(jì)算，重力加速度取g=9.8m/s2。

2.2 物料荷載

根據(jù)GB/T 50322-2001《糧食鋼板筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，圓形筒倉(cāng)根據(jù)貯料高徑比的不同，分為深倉(cāng)和淺倉(cāng)：當(dāng)h/d＞1.5時(shí)為深倉(cāng)；當(dāng)h/d≤1.5時(shí)為淺倉(cāng)（h為貯料高度，d為圓形筒倉(cāng)內(nèi)徑）。

本例中筒倉(cāng)h=15.6m，d=6.8m，h/d=2.5，屬于深倉(cāng)結(jié)構(gòu)。

滿荷載時(shí)，鋼筒倉(cāng)主要承受貯料的法向側(cè)壓力以及切向摩擦力的作用，貯料載荷分布按深倉(cāng)形式施加。

2.2.1 筒倉(cāng)直段壓力計(jì)算

筒倉(cāng)直段壓力分為徑向壓力和軸向摩擦力，具體計(jì)算方法如下：

（1）徑向壓力計(jì)算

式中：Ph為貯料對(duì)鋼倉(cāng)壁的水平壓力，Pa；Cb為貯料水平壓力修正系數(shù)；ρ為鋼倉(cāng)的水平水力半徑；γ貯料的重力密度；μ貯料和鋼倉(cāng)壁間的摩擦系數(shù)；k側(cè)向壓力系數(shù)，k=0.22；s為貯料錐體重心至所計(jì)算截面處的距離，m。

查表，并計(jì)算得：

（2）豎向摩擦壓力計(jì)算

深度s處的豎向Pf為：

2.2.2 錐段壓力計(jì)算

式中：h為貯料計(jì)算高度。

（1）錐段法向壓力計(jì)算

式中：a為錐段與水平夾角，a=55.4°；Cv豎向壓力修正系數(shù)，Cv=1.3。

（2）錐段切向壓力計(jì)算

2.3 風(fēng)荷載

根據(jù)GB50009-2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》風(fēng)荷載為：

式中：wk為風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；βz為豎向高度處的風(fēng)振系數(shù)；μs為筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)的體型系數(shù)；μz風(fēng)壓高度的變化系數(shù)，按B類地區(qū)考慮；w0基本風(fēng)壓值，按12級(jí)臺(tái)風(fēng)考慮。

豎向高度z處的風(fēng)振系數(shù)為：

2.4 地震荷載

筒倉(cāng)所受地震荷載參照NBT47003.2-2009《固體料倉(cāng)》計(jì)算，場(chǎng)地類別按Ⅱ類選取，選7級(jí)抗震設(shè)防烈度，由于水平震波對(duì)設(shè)備破壞最大，故設(shè)計(jì)時(shí)按水平地震波計(jì)算。

筒倉(cāng)總水平地震作用力：

式中：a1為地震影響系數(shù)，a1=0.08取；meq為料倉(cāng)等效總質(zhì)量，kg；g為重力加速度，g=9.8m/s2。

3 有限元模型建立

3.1 材料屬性

鋼筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)采用Q235B鋼材，材料密度ρ=7800kg/m3，屈服強(qiáng)度σs=235MPa，安全系數(shù)取1.5，許用應(yīng)力 [σ]=156.7MPa， 彈 性 模 量 E=2.06×105MPa， 泊 松 比μ=0.3。

3.2 約束條件

鋼筒倉(cāng)有限元模型如圖2所示，倉(cāng)體采用采用Shell181單元，支承采用Beam188單元，倉(cāng)體與支承之間采用MPC方式連接，總單元數(shù)101063，節(jié)點(diǎn)數(shù)101286。筒倉(cāng)立柱與地面相連點(diǎn)采用固定約束，約束6個(gè)自由度。由于雪荷載等其他荷載對(duì)筒倉(cāng)力學(xué)性能影響較小，不予考慮，故計(jì)算時(shí)僅考慮筒倉(cāng)自重、貯料荷載、風(fēng)荷載和地震荷載。

4 計(jì)算結(jié)果

鋼筒倉(cāng)按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，需對(duì)滿載+風(fēng)荷載組合和滿載+地震荷載組合2種工況進(jìn)行計(jì)算。

4.1 滿載+風(fēng)荷載組合工況

圖2 鋼筒倉(cāng)有限元模型

從圖3位移云圖中可知，滿荷載對(duì)筒倉(cāng)直段下部筒壁影響較大，風(fēng)荷載造成局部筒壁向內(nèi)凹陷，下錐部變形亦較為明顯，局部外凸，但最大位移發(fā)生在筒倉(cāng)頂部，其值為5.163mm，小于設(shè)計(jì)許用值，符合設(shè)計(jì)使用要求。從分析結(jié)果可知，加強(qiáng)筒倉(cāng)直段底部（如增加豎筋等）可以取得較好效果。

圖3 滿載+風(fēng)載位移云圖

圖4 滿載+風(fēng)載應(yīng)力云圖

從圖4應(yīng)力云圖中可知，該工況下載荷對(duì)筒壁的應(yīng)力影響較小，而對(duì)支柱的應(yīng)力影響較大，最大應(yīng)力發(fā)生在筒倉(cāng)與支柱連接處，其值為170.55MPa，安全系數(shù) 為 1.38＜1.5， 但從應(yīng)力云圖可知，應(yīng)力最大值區(qū)域小且過(guò)渡突變，該處為應(yīng)力集中區(qū)，其余區(qū)域的應(yīng)力均小于85.87MPa，安全系數(shù)為2.74，符合設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。從分析結(jié)果可知，筒體與支柱連接處為薄弱處，設(shè)計(jì)及制作時(shí)應(yīng)特別關(guān)注。

4.2 空載+風(fēng)荷載+地震荷載組合工況

從圖5位移云圖中可以知，空筒倉(cāng)在承受風(fēng)荷載及地震載荷作用時(shí)，整體變形趨勢(shì)與滿載+風(fēng)荷載基本一致，只是變形值增大，最大變形同樣發(fā)生在筒倉(cāng)頂部，其值為18.72mm，相比滿載+風(fēng)荷載工況增大13.56mm，但遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)允許值，符合設(shè)計(jì)剛度要求。

圖5 滿載+風(fēng)荷載+地震荷載位移云圖

從圖6應(yīng)力云圖中可知，該工況下，風(fēng)荷載及地震載荷對(duì)直段筒壁的影響較小，而對(duì)筒倉(cāng)立柱與倉(cāng)體連接區(qū)域的影響較大，最大應(yīng)力發(fā)生在筒倉(cāng)立柱頂部與倉(cāng)體錐部的連接處，其值為251.5MPa，超過(guò)材料許用應(yīng)力極限。但從應(yīng)力云圖可知，最大應(yīng)力區(qū)域較小且過(guò)渡突變，該處為應(yīng)力集中區(qū)，其余區(qū)域應(yīng)力均小于150MPa，安全系數(shù)為1.57，符合強(qiáng)度要求。

圖6 滿載+風(fēng)荷載+地震荷載應(yīng)力云圖

4.3 支腿穩(wěn)定性分析

如圖7所示，立柱穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果X向、Y向“穩(wěn)定”強(qiáng)度均為88.01MPa，材料的抗壓強(qiáng)度為375MPa，安全系數(shù)為4.26，符合設(shè)計(jì)穩(wěn)定性要求。

圖7 立柱穩(wěn)定性計(jì)算表

5 結(jié)語(yǔ)

總結(jié)以上2種工況有限元分析結(jié)果可知，在滿載+風(fēng)載、空載+風(fēng)荷載+地震載荷等2種工況載荷作用下，該鋼筒倉(cāng)的強(qiáng)度及剛度符合設(shè)計(jì)要求。該筒倉(cāng)立柱抗壓強(qiáng)度安全系數(shù)為4.26，立柱穩(wěn)定性符合設(shè)計(jì)要求。