基于有限元法的網(wǎng)式自然干燥儲倉結(jié)構(gòu)設(shè)計*

王 英，王會銘，白 朋，余 飛

(張掖市譽宇農(nóng)業(yè)機械科技有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 734000)

0 引 言

玉米制種產(chǎn)業(yè)作為“十三五”期間國家的重要戰(zhàn)略決策，根據(jù)以玉米種植為重點穩(wěn)步推進供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的政策，著力解決玉米制種產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的專業(yè)化、科學(xué)化、集約化發(fā)展水平不足問題，研發(fā)一種網(wǎng)式自然干燥儲倉。 針對目前玉米種子制種產(chǎn)業(yè)普遍存在田間基礎(chǔ)設(shè)施不完善，農(nóng)業(yè)機械化程度不高，尤其是玉米果穗晾曬場地有限，晾曬設(shè)施、果穗及子粒烘干設(shè)備不足，導(dǎo)致玉米果穗不易干燥，干燥周期長，遇惡劣天氣，采收時種子霉變，影響發(fā)芽率，給制種企業(yè)和農(nóng)戶造成嚴重損失；而使用干燥劑、機械干燥等方式，則會大大增加制種成本。因此，此研究成果即一種網(wǎng)式自然干燥儲倉，可以保證玉米果穗的自然條件下干燥，同時占地面積小，避免惡劣天氣所帶來的損失，代替了地面鋪放晾曬的落后方式。在此網(wǎng)式自然干燥儲倉設(shè)計中，關(guān)系整體設(shè)備安全和運行穩(wěn)定性的重要設(shè)計要求是整體結(jié)構(gòu)設(shè)計強度、剛度是否滿足要求。

筆者通過采用有限元方法[1]，在設(shè)計過程中，模擬實際工況，對儲倉添加約束，施加載荷，包括自重、玉米重量、風(fēng)載、雪載等，對組成儲倉的直立式容器、倉下支撐結(jié)構(gòu)、加強筋、卸料裝置進行了強度、剛度校核。該方法對優(yōu)化網(wǎng)式自然干燥儲倉結(jié)構(gòu)設(shè)計、簡化設(shè)計校核流程、縮短研發(fā)周期、節(jié)省研發(fā)成本有著重大的意義。

1計算模型及仿真方法

1.1計算模型

文中所述的網(wǎng)式自然干燥儲倉，在其額定工作狀態(tài)下，設(shè)計性能及主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1所列。

表1 網(wǎng)式自然干燥儲倉主要參數(shù)

根據(jù)設(shè)計意圖，繪制網(wǎng)式自然干燥儲倉的二維設(shè)計圖，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)式自然干燥儲倉二維設(shè)計圖

根據(jù)圖1所繪制的二維圖紙，使用SolidWorks三維建模軟件，對網(wǎng)式自然干燥儲倉的結(jié)構(gòu)件進行三維建模，并對模型進行處理，獲得能夠適用于有限元計算的三維模型。自然干燥儲倉計算模型如圖2所示。

圖2 網(wǎng)式自然干燥儲倉計算模型

1.2 計算模型網(wǎng)格劃分

在進行有限元軟件進行仿真分析前，首先需要對計算模型進行離散，即采用前處理軟件，對其進行網(wǎng)格劃分。由于計算對象為固體結(jié)構(gòu)，且整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)型網(wǎng)格劃分形式[2]，為了提高計算精度，對局部網(wǎng)格進行了加密，網(wǎng)格輸出類型匹配有限元求解器，全模型共有553548個計算節(jié)點，162434個網(wǎng)格單元。網(wǎng)式自然干燥儲倉計算部分網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

圖3 網(wǎng)式自然干燥儲倉計算部分網(wǎng)格劃分

1.3 計算工況

對于網(wǎng)式自然干燥儲倉結(jié)構(gòu)分析，其工況為靜止狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)體所受載荷對整體產(chǎn)生的應(yīng)力，以及該應(yīng)力引起的應(yīng)變。分析中采用靜力學(xué)結(jié)構(gòu)求解模型對該問題進行計算。網(wǎng)式自然干燥儲倉結(jié)構(gòu)體所受的主要載荷包括：儲倉自重、所儲存干燥玉米種子重量、基本風(fēng)壓及基本雪壓載荷。在進行強度、剛度校核時，考慮極限工況，即在以上幾種主要載荷共同作用條件下，對整體結(jié)構(gòu)進行求解計算。

根據(jù)伯努利方程[3]，計算風(fēng)載對裝滿玉米后，網(wǎng)式自然干燥儲倉的最大風(fēng)壓載荷為：

(1)

式中：F為風(fēng)對網(wǎng)式自然干燥儲倉迎風(fēng)面的作用力，kN；A為迎風(fēng)面積，m2；r為空氣重度，kN/m3；v為風(fēng)速，m/s；g為重力加速度，m/s2。

根據(jù)式(1)所示，當網(wǎng)式自然干燥儲倉迎風(fēng)面為寬6 m，高3 m時，風(fēng)對整體結(jié)構(gòu)的作用力存在最大值；通過查閱風(fēng)力等級與風(fēng)速對照表，當風(fēng)力等級為11級時，即僅次于臺風(fēng)等級的條件下(風(fēng)速為28.5～32.6 m/s，取30 m/s為計算值)時，網(wǎng)式自然干燥儲倉所受的最大風(fēng)載約為9.9 kN。

在雪壓載荷計算時，通過查閱全國的基本雪壓分布[4]，50年一遇最大雪壓取偏大值0.7 kPa。由于網(wǎng)式自然干燥儲倉頂部為平面，且長度為6 m。寬度為0.8 m，則網(wǎng)式自然干燥儲倉所受的最大雪壓載荷為3.36 kN。

1.4 邊界條件

在網(wǎng)式自然干燥儲倉結(jié)構(gòu)分析計算過程中，其材料為Q235，具體材料特性如下：密度為7 850 kg/m3；泊松比為0.3；楊氏模量為200 GPa；抗拉屈服強度為250 MPa；極限應(yīng)力強度為469 MPa。儲倉底座通過地腳螺栓與地基連接，因此計算時在相應(yīng)位置處添加固定約束；在設(shè)計工況下，儲倉能夠容納的玉米重量為6 500 kg，在此結(jié)構(gòu)下，根據(jù)三角函數(shù)，計算獲得儲倉內(nèi)玉米對儲倉內(nèi)壁向外的作用力為4.33 kN；在極限工況所受的風(fēng)載為9.9 kN；所受最大雪壓載荷為3.36 kN，同時考慮儲倉結(jié)構(gòu)自身重量在重力勢能作用下對支腿的作用力。網(wǎng)式自然干燥儲倉結(jié)構(gòu)約束及載荷加載情況如圖4所示。

圖4 網(wǎng)式自然干燥儲倉結(jié)構(gòu)約束及載荷加載狀態(tài)

圖4中，A為固定約束；B為重力勢能的作用力的方向和大??；C、D為儲倉內(nèi)玉米對儲倉內(nèi)壁向外的作用力；E為風(fēng)載的最大值對儲倉迎風(fēng)面的作用力；F為儲倉內(nèi)玉米的自重和雪載在儲倉頂部的自重之和。

2 計算結(jié)果與分析

將前處理器劃分的網(wǎng)格導(dǎo)入有限元求解器，采用靜力學(xué)計算模型，按照上述的約束條件和載荷類型添加邊界條件，對網(wǎng)式自然干燥儲倉結(jié)構(gòu)進行強度、剛度計算分析。通過計算，獲得網(wǎng)式自然干燥儲倉結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 網(wǎng)式自然干燥儲倉結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖

從圖5可以看出，網(wǎng)式自然干燥儲倉結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在底部基座處位置，忽略應(yīng)力集中效應(yīng)，應(yīng)力最大值為155 MPa。此應(yīng)力分布狀態(tài)為儲倉在裝滿玉米種子，且在風(fēng)載和雪載的最大值共同作用下的結(jié)果，且最大值小于材料的許用應(yīng)力。

在求解儲倉應(yīng)力分布狀態(tài)的基礎(chǔ)之上，進一步計算獲得網(wǎng)式自然干燥儲倉結(jié)構(gòu)整體應(yīng)變狀態(tài)，獲得網(wǎng)式自然干燥儲倉結(jié)構(gòu)整體應(yīng)變云圖，如圖6所示。

圖6 網(wǎng)式自然干燥儲倉結(jié)構(gòu)的應(yīng)變云圖

從圖6可以看出，網(wǎng)式自然干燥儲倉結(jié)構(gòu)的應(yīng)變的最大值為3 mm，位于網(wǎng)式自然干燥儲倉結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)面豎直支撐桿處，同樣，此應(yīng)變的分布狀態(tài)也是在儲倉處于滿負荷，且最大風(fēng)載、雪載共同作用的情況下。綜合應(yīng)力和應(yīng)變的分布狀態(tài)云圖，可以判斷，此網(wǎng)式自然干燥儲倉結(jié)構(gòu)的強度和剛度均能夠滿足設(shè)計要求。

3 結(jié) 語

采用有限元分析的方法，對網(wǎng)式自然干燥儲倉的主體結(jié)構(gòu)在設(shè)計定型階段進行強度、剛度校核計算分析。在繪制二維圖紙的基礎(chǔ)上，進行了儲倉主體結(jié)構(gòu)三維模型建模并獲得可用于有限元計算的計算模型，采用前處理軟件進行計算模型的離散，并獲得網(wǎng)格數(shù)據(jù)文件。為保證設(shè)計滿足強度要求，查閱資料，計算獲得所受風(fēng)載和雪載的最大值作為計算分析的邊界條件，同時按照實際工況，添加約束條件，通過計算分析，獲得了該型網(wǎng)式自然干燥儲倉的主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力與應(yīng)變的云圖。結(jié)果表明：網(wǎng)式自然干燥儲倉的主體結(jié)構(gòu)應(yīng)變的最大應(yīng)變?yōu)? mm，應(yīng)力的最大值為155 MPa，小于材料的許用應(yīng)力。因此，此儲倉的主體結(jié)構(gòu)能夠滿足極端氣候條件下，額定工作狀態(tài)的工作要求。

通過研究所述方法，在網(wǎng)式自然干燥儲倉結(jié)構(gòu)強度、剛度校核計算時，全面考慮風(fēng)力載荷和雪載對儲倉整體結(jié)構(gòu)的作用力，保證計算結(jié)果能夠更加符合實際工況的條件。通過獲得應(yīng)力、應(yīng)變的分布云圖，直觀反映計算結(jié)果。該方法對設(shè)計人員優(yōu)化儲倉結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了新的手段，相較于傳統(tǒng)設(shè)計方法，能夠極大的縮短設(shè)計周期，減少研發(fā)成本。