基于ANSYS 的石灰石料倉靜力和屈曲分析

宋 靜 張 秒 陶 瑛 宋 會 秦俊山

中材建設有限公司（100176）

石灰石料倉是水泥生產企業在原料配料站用于暫時存儲石灰石的存儲裝置。由于石灰石是水泥生產中用量最大的原料[1]，該料倉的強度、剛度和穩定性對生產線的連續安全運轉非常重要。文章采用有限元軟件ANSYS19.0 對石灰石料倉進行建模求解，根據計算出的最大應力應變進行該設備結構的強度校核和應力評定；為了防止料倉傾覆，進行了屈曲分析，對該料倉的穩定性進行了評價。

1 模型

該φ5.5 m×18.3 m 石灰石料倉的主要設計參數：主要部件材料為Q235，物料容重為1 400 kg/m3。如圖1 所示，石灰石料倉圓筒形倉壁直徑為5.5 m，高度約為10.5 m，壁厚為10 mm；錐形倉底高度約為7.8 m，壁厚為12 mm，矩形出料口尺寸為1 100 mm×1 300 mm。

料倉筒體是用鋼板卷制焊接而成的薄壁殼體，其厚度遠小于板面長寬的尺寸，屬于有限元的薄板問題。 建立有限元模型時，薄板問題通常采用殼單元[2]。料倉的模型建立，忽略了小接管及附件等附屬結構，保留了筒體、支座、加強筋等主要結構。 根據料倉的幾何結構，采用殼單元建模，有限元模型如圖2 所示。

2 邊界條件

2.1 約束

料倉豎直安裝， 通過支座固定安裝在支撐梁上，對支座底板施加全約束。

2.2 載荷

自重可通過定義單元材料屬性中的材料密度，求解時定義重力加速度來施加。 物料載荷、小接管和附件等結構的質量可按等效密度施加到對應單元上。

2.3 材料特性

料倉倉壁采用普碳鋼Q235， 其20 ℃時的材料特性見表1，其中δ 為鋼板厚度。

圖1 石灰石料倉幾何結構圖（左）圖2 石灰石料倉有限元模型（右）

3 結果分析及評定

3.1 靜力分析

利用有限元軟件，通過加載載荷求解，可得到模型每個節點的應力和應變，其值可通過不同顏色在模型上呈現[3]。 料倉的應變、應力圖分別如圖3、圖4 所示。

表1 鋼板材料特性表（20 ℃）

圖3 料倉綜合變形云圖

圖4 料倉等效應力云圖

料倉最大綜合變形量約為4 mm、 最大應力強度為155 MPa，分別位于圓形筒體和支座底部。 由圖3 和圖4 可知， 在支座的支撐和料壓的作用下，倉體的變形集中在圓筒體和錐體中部；由于支座固定約束，在該處筋板受力較大。

材料Q235 在設計溫度20 ℃下的屈服強度為σs=235 MPa，則材料的安全系數為235/155=1.52。結果表明其強度和剛度滿足要求，該設備是安全的。

3.2 屈曲分析

結構達到臨界荷載時，一般會發生屈曲。 所施加荷載乘以屈曲荷載系數即為臨界荷載。 文章求取了前六階屈曲荷載系數（如圖5 所示），并給出了第一階特征值屈曲模態效果圖，如圖6 所示。

圖5 屈曲荷載系數

圖6 第一階特征值屈曲模態

由仿真結果可以看出，屈曲變形主要發生在圓筒倉中部，屈曲荷載系數從小到大排列，且均為負值。 表明只有施加載荷的方向相反，料倉才會發生屈曲變形，因此該料倉不會發生傾覆的危險。

4 結語

通過對石灰石料倉的有限元分析，得出了倉體的最大變形和最大等效應力，驗證了料倉的強度和剛度滿足要求；屈曲分析表明，該料倉具有較好的穩定性。 因此，在正常工況下，該料倉是安全的。