基于ANSYS的渣倉支架有限元分析

苗瑞凌

(忻州廣宇煤電有限公司，山西 忻州 034000)

0 引言

針對某燃煤電廠工程除渣系統(tǒng)的配套設(shè)備——渣倉支架進行優(yōu)化分析。渣倉支架承受的荷載有:渣倉結(jié)構(gòu)自重力，物料自重力，倉頂排氣過濾器、斗式提升機等設(shè)備自重力，維護欄桿的荷載，風(fēng)荷載，地震荷載，設(shè)備起吊荷載等。除承受上述荷載外，渣倉還應(yīng)能夠承受倉內(nèi)物料塌方引起的沖擊荷載以及運渣汽車可能引起的撞擊荷載。因此，如何在滿足強度、剛度、安全性、穩(wěn)定性的前題下減小渣倉支架的質(zhì)量是一個研究重點。本文以渣倉支架為例，使用ANSYS有限元分析軟件，選用了BEAM188單元建立模型［1-6］，分析在多荷載共同作用下結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變情況，并在有限元計算結(jié)果的基礎(chǔ)上對其進行了選型設(shè)計和優(yōu)化分析。

1 工程環(huán)境

某工程廠址位于碼頭，地處海邊，累年極端最高氣溫為40℃，累年極端最低氣溫為13℃，多年平均氣溫為28.8℃，多年平均風(fēng)速為3.0～6.0m/s，10m高處累年最大風(fēng)速為24 m/s，地震加速度峰值為0.2 ～0.4 m/s2。

因此，在模型加載時除了要考慮支架本體所加荷載外，還要充分考慮風(fēng)荷載和地震荷載。

2 渣倉支架有限元分析

在ANSYS軟件中直接建模并分析，可有效縮短開發(fā)設(shè)計周期［7］。該項目設(shè)計的行走機構(gòu)由箱型梁組成，采用BEAM188單元建模。

分析渣倉支架的變形和應(yīng)力狀況，找出應(yīng)力集中部位，對其進行剛度和強度分析，并對手爪進行優(yōu)化。結(jié)構(gòu)的靜剛度、靜強度分析主要是用來計算在靜荷載作用下的結(jié)構(gòu)效應(yīng)，即分析由于穩(wěn)態(tài)外載引起的渣倉支架各個構(gòu)件的應(yīng)力、應(yīng)變的分布，目的在于考察各個構(gòu)件是否滿足靜強度和靜剛度要求。在不滿足要求時可對材料進行重新選擇，改變零件的力學(xué)性能;或在不改變材料的情況下改變零件的結(jié)構(gòu)，適量減小受力較弱部位的受力截面，增加受力較大部位的厚度，適量改善應(yīng)力集中部位的結(jié)構(gòu)厚度或力學(xué)性能以提高其受壓能力?？傊?，通過優(yōu)化使結(jié)構(gòu)既安全、可靠，又不浪費材料，從而降低成本。

2.1 計算工況

該項目基本參數(shù)見表1。

表1 基本參數(shù)

經(jīng)計算，渣倉自重力G1=319kN，當(dāng)渣倉滿載渣和水時，渣水總重力G2=1.2×104kN，倉頂鋼平臺及排氣過濾器、斗式提升機等設(shè)備及維護欄桿的荷載G3=200 kN，倉頂除塵器自重力G4=3.4 kN，倉頂起吊裝置自重力G5=21 kN，動載系數(shù)取1.5。

(1)由于渣倉和支架采用8點支撐，所以渣倉自重力和渣水總重力應(yīng)分布于8點處，即每點受力(319+12000)×1.5÷8=2310(kN)。

(2)G3，G4，G5按均布力加載到上平面四周的橫梁上，上平面四周橫梁的總長為44.384 m，即(200+3.4+21)×1.5÷44.384=7.6(kN/m)。

(3)風(fēng)荷載為

式中:風(fēng)力系數(shù)c=1.4;風(fēng)壓高度變化系數(shù)kh=1;查詢技術(shù)規(guī)范書可知當(dāng)?shù)鼗撅L(fēng)壓p=350 N/m2，迎風(fēng)面積A=38.5 m2，按均布荷載施加。

(4)地震荷載。地震按加速度峰值0.4 m/s2加載。

2.2 前處理過程

設(shè)置ANSYS模版，選擇分析類型、定義材料、屬性及實常數(shù)等，準(zhǔn)備建模。其中，查詢《機械設(shè)計手冊》［8］可知，235 鋼的屈服值為 235 MPa，安全系數(shù)取2，彈性模量 E=1.07×105MPa，泊松比 λ =0.3，密度ρ=7.8×10-6kg/mm3。

利用BEAM188單元建立模型。根據(jù)實際需要確定了40個關(guān)鍵點。根據(jù)以往設(shè)計應(yīng)驗，本次初步設(shè)計選型為:立柱采用箱型梁800 mm×800 mm×20 mm，上橫梁采用箱型梁700 mm×700 mm×20 mm，上層斜撐采用箱型梁400 mm×400 mm×20 mm，下層斜撐采用箱型梁220 mm×220 mm×16 mm，下層橫梁采用箱型梁400 mm×400 mm×20 mm。

2.3 后處理過程

(1)添加約束。由于渣倉支架是支撐在地上，所以約束支架的4個立柱底部的6個自由度即可。

(2)施加荷載。荷載按上文計算的工況荷載如實加載。

2.4 分析結(jié)果

Solve運行分析后得到應(yīng)力、應(yīng)變云圖，優(yōu)化前渣倉支架應(yīng)力云圖如圖1所示，應(yīng)變云圖如圖2所示。

圖1 優(yōu)化前渣倉支架應(yīng)力云圖

由圖1可知，這種選型在實際荷載下的最大應(yīng)力為72.094 MPa，而許用應(yīng)力［σ］=235÷2=117.5 MPa，最大應(yīng)力遠遠小于該材料的許用應(yīng)力，說明渣倉支架的初步選型能滿足應(yīng)力要求，安全可靠。由圖2可知，最大變形量為5.431 mm，而該結(jié)構(gòu)相應(yīng)的許用撓度為15989÷1000=15.989(mm)，最大變形量沒有超過許用撓度。初步分析該選型剛度和強度滿足要求。但從成本來分析，該選型還有一定的優(yōu)化空間，通過優(yōu)化將能減輕設(shè)備重量，降低成本。

圖2 優(yōu)化前渣倉支架應(yīng)變云圖

3 優(yōu)化過程

進行重新選型:立柱采用箱型梁700 mm×700 mm×16 mm，上橫梁采用箱型梁500 mm×500 mm×16 mm，上層斜撐采用箱型梁400 mm×400 mm×20 mm，下層斜撐采用箱型梁220 mm×220 mm×12 mm，下層橫梁采用箱型梁400 mm×400 mm×16 mm。重新運行求解，優(yōu)化后的渣倉支架應(yīng)力云圖如圖3所示，應(yīng)變云圖如圖4所示。

圖3 優(yōu)化后渣倉支架應(yīng)力云圖

圖4 優(yōu)化后渣倉支架應(yīng)變云圖

由圖3可知，該選型在實際荷載)下的最大應(yīng)力為98.561 MPa，小于該材料的許用應(yīng)力;由圖4可知，最大應(yīng)變量為6.464 mm，小于該結(jié)構(gòu)相應(yīng)的許用撓度，故該選型安全可靠，且明顯減輕了設(shè)備及各部件質(zhì)量。該優(yōu)化方法大大提高了工作的效率及選型的準(zhǔn)確性，同時還降低了成本，值得在設(shè)計中推廣應(yīng)用。

4 結(jié)論

通過該實例可以看出，通過ANSYS對渣倉支架有限元建模分析及優(yōu)化選型，使設(shè)備不僅安全可靠，而且明顯降低了成本。這種方法不僅可用在渣倉支架的選型設(shè)計上，還可為其他鋼結(jié)構(gòu)的選型設(shè)計提供參考。

［1］博弈創(chuàng)作室.ANSYS 9.0經(jīng)典產(chǎn)品基礎(chǔ)教程與實例詳解［M］.北京:中國水利水電出版社，2006.

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［3］江見鯨，何放龍.有限元法及其應(yīng)用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2012.

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