基于ANSYS 的石灰石料倉(cāng)靜力和屈曲分析

宋 靜 張 秒 陶 瑛 宋 會(huì) 秦俊山

中材建設(shè)有限公司（100176）

石灰石料倉(cāng)是水泥生產(chǎn)企業(yè)在原料配料站用于暫時(shí)存儲(chǔ)石灰石的存儲(chǔ)裝置。由于石灰石是水泥生產(chǎn)中用量最大的原料[1]，該料倉(cāng)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性對(duì)生產(chǎn)線的連續(xù)安全運(yùn)轉(zhuǎn)非常重要。文章采用有限元軟件ANSYS19.0 對(duì)石灰石料倉(cāng)進(jìn)行建模求解，根據(jù)計(jì)算出的最大應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行該設(shè)備結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核和應(yīng)力評(píng)定；為了防止料倉(cāng)傾覆，進(jìn)行了屈曲分析，對(duì)該料倉(cāng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1 模型

該φ5.5 m×18.3 m 石灰石料倉(cāng)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)：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(cāng)圓筒形倉(cāng)壁直徑為5.5 m，高度約為10.5 m，壁厚為10 mm；錐形倉(cāng)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(cāng)筒體是用鋼板卷制焊接而成的薄壁殼體，其厚度遠(yuǎn)小于板面長(zhǎng)寬的尺寸，屬于有限元的薄板問(wèn)題。 建立有限元模型時(shí)，薄板問(wèn)題通常采用殼單元[2]。料倉(cāng)的模型建立，忽略了小接管及附件等附屬結(jié)構(gòu)，保留了筒體、支座、加強(qiáng)筋等主要結(jié)構(gòu)。 根據(jù)料倉(cāng)的幾何結(jié)構(gòu)，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(cāng)豎直安裝， 通過(guò)支座固定安裝在支撐梁上，對(duì)支座底板施加全約束。

2.2 載荷

自重可通過(guò)定義單元材料屬性中的材料密度，求解時(shí)定義重力加速度來(lái)施加。 物料載荷、小接管和附件等結(jié)構(gòu)的質(zhì)量可按等效密度施加到對(duì)應(yīng)單元上。

2.3 材料特性

料倉(cāng)倉(cāng)壁采用普碳鋼Q235， 其20 ℃時(shí)的材料特性見(jiàn)表1，其中δ 為鋼板厚度。

圖1 石灰石料倉(cāng)幾何結(jié)構(gòu)圖（左）圖2 石灰石料倉(cāng)有限元模型（右）

3 結(jié)果分析及評(píng)定

3.1 靜力分析

利用有限元軟件，通過(guò)加載載荷求解，可得到模型每個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變，其值可通過(guò)不同顏色在模型上呈現(xiàn)[3]。 料倉(cāng)的應(yīng)變、應(yīng)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(cāng)綜合變形云圖

圖4 料倉(cāng)等效應(yīng)力云圖

料倉(cāng)最大綜合變形量約為4 mm、 最大應(yīng)力強(qiáng)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(cāng)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(shè)計(jì)溫度20 ℃下的屈服強(qiáng)度為σs=235 MPa，則材料的安全系數(shù)為235/155=1.52。結(jié)果表明其強(qiáng)度和剛度滿足要求，該設(shè)備是安全的。

3.2 屈曲分析

結(jié)構(gòu)達(dá)到臨界荷載時(shí)，一般會(huì)發(fā)生屈曲。 所施加荷載乘以屈曲荷載系數(shù)即為臨界荷載。 文章求取了前六階屈曲荷載系數(shù)（如圖5 所示），并給出了第一階特征值屈曲模態(tài)效果圖，如圖6 所示。

圖5 屈曲荷載系數(shù)

圖6 第一階特征值屈曲模態(tài)

由仿真結(jié)果可以看出，屈曲變形主要發(fā)生在圓筒倉(cāng)中部，屈曲荷載系數(shù)從小到大排列，且均為負(fù)值。 表明只有施加載荷的方向相反，料倉(cāng)才會(huì)發(fā)生屈曲變形，因此該料倉(cāng)不會(huì)發(fā)生傾覆的危險(xiǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)石灰石料倉(cāng)的有限元分析，得出了倉(cāng)體的最大變形和最大等效應(yīng)力，驗(yàn)證了料倉(cāng)的強(qiáng)度和剛度滿足要求；屈曲分析表明，該料倉(cāng)具有較好的穩(wěn)定性。 因此，在正常工況下，該料倉(cāng)是安全的。