（北方重工集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110027）

鋼結(jié)構(gòu)方形多出口料倉(cāng)有限元分析

呂家歡 李紹偉 呂 卓

（北方重工集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110027）

本文對(duì)方形多出口料倉(cāng)的特點(diǎn)進(jìn)行了ANSYS有限元分析，研究出料倉(cāng)物料的載荷經(jīng)驗(yàn)計(jì)算，針對(duì)多出料口鋼倉(cāng)進(jìn)行了應(yīng)力與變形設(shè)計(jì)分析。

多出口料倉(cāng)；ANSYS有限元；箱型梁；計(jì)算分析

鋼倉(cāng)通常僅作為小型緩沖倉(cāng)或大型鋼筋混凝土筒倉(cāng)的漏斗使用，隨著皮帶機(jī)輸送系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)鋼倉(cāng)提出了更高的要求，要求鋼倉(cāng)同時(shí)具備儲(chǔ)料和給配料的功能。通常，當(dāng)倉(cāng)壁計(jì)算高度與圓形筒倉(cāng)內(nèi)徑之比大于等于1.5時(shí)為深倉(cāng)，小于1.5時(shí)為淺倉(cāng)。本文研究的鋼結(jié)構(gòu)多出口料倉(cāng)，倉(cāng)壁直段和傾斜段的尺寸比接近1：1.5，下面有四個(gè)出料口，按深倉(cāng)計(jì)算，并對(duì)動(dòng)態(tài)壓力系數(shù)進(jìn)行選擇，同時(shí)利用有限元軟件對(duì)料倉(cāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。

1 工藝布置及結(jié)構(gòu)形式

方形多出口料倉(cāng)儲(chǔ)料為煤，額定容量為1000噸（1250m3），長(zhǎng)12米，寬12米，高15.3米，料倉(cāng)上部設(shè)有給料皮帶機(jī)，下部設(shè)有4個(gè)出料口，出料口為圓形，直徑為1800mm，料倉(cāng)出料口處設(shè)有棒條閘門，用來(lái)給四個(gè)破碎機(jī)供料，料倉(cāng)整體全部用鋼板和型鋼焊接或栓接而成，如圖1所示。

表1 儲(chǔ)料荷載計(jì)算

表2 最大應(yīng)力分布

圖1 方形料倉(cāng)工藝布置圖

工藝要求料倉(cāng)上部設(shè)有兩條給料皮帶機(jī)，下部四個(gè)出料口分別給四個(gè)破碎機(jī)供料。如果空間允許，圓形料倉(cāng)從結(jié)構(gòu)受力方面是優(yōu)選，而就分料功能而言，矩形料倉(cāng)則較為簡(jiǎn)單。根據(jù)布置的需要，選擇設(shè)計(jì)為方形料倉(cāng)，并在料倉(cāng)中下部位做箱型梁，對(duì)四個(gè)錐形分料漏斗來(lái)說(shuō)，可起到支架作用，同時(shí)還擁有均勻分料的功能。

圖2 物料作用力分布模型

圖3 料倉(cāng)結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力云圖

圖4 料倉(cāng)結(jié)構(gòu)變形圖

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型及計(jì)算依據(jù)

2.1 計(jì)算依據(jù)

方形料倉(cāng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)資料、圖紙，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50007-2003），鋼筯混凝土筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50077-2003）。

2.2 計(jì)算條件：

2.2.1 料倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要計(jì)算的載荷種類：

恒載 DL ：料倉(cāng)結(jié)構(gòu)自重，活載LD ：物料作用力。

2.2.2 荷載組合

載荷組合一1.2DL+1.3LD；載荷組合二 DL+LD。

2.3 材料特性

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)置 1～6號(hào)池采用單層薄膜覆蓋，7～12號(hào)池采用雙層薄膜覆蓋，13～18號(hào)池為露天對(duì)照組，水深分設(shè)30、60 cm兩種水深，具體見(jiàn)表1。試驗(yàn)期間，分別于2018年4月26日、5月3日進(jìn)行了換水處理。

整個(gè)料倉(cāng)結(jié)構(gòu)使用的鋼板和型材均為Q345B。彈性模量E為210Gpa，泊松系數(shù)為0.3，密度均為7.85×103kg/ m3。屈服應(yīng)力295～345 Mpa，破壞應(yīng)力470～630 Mpa。

2.4 Q345B鋼材設(shè)計(jì)值：

鋼板厚t≤16 mm[δ]=310MPa，鋼板厚16≤t≤35 mm[δ]=295MPa，

鋼板厚35≤t≤ 50 mm[δ] =2 6 5 M P a，

鋼板厚50≤t[δ] =250MPa。

2.5 計(jì)算采用有限元法。

3 料倉(cāng)結(jié)構(gòu)的有限元分析

3.1 單元選擇

在進(jìn)行有限元分析時(shí)，需要結(jié)合料倉(cāng)的受力情況和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，料倉(cāng)是由型鋼和鋼板焊接或栓接而成的鋼結(jié)構(gòu)，將鋼結(jié)構(gòu)等效為彈性結(jié)構(gòu)板單元。

3.2 模型中節(jié)點(diǎn)的確定遵循如下原則：

模型的節(jié)點(diǎn)作為鋼結(jié)構(gòu)各部分的連接點(diǎn)，模型的節(jié)點(diǎn)作為鋼結(jié)構(gòu)的施力點(diǎn)。

3.3 載荷

料倉(cāng)結(jié)構(gòu)有限元分析時(shí)的載荷主要是由儲(chǔ)存的物料產(chǎn)生的，物料作用力按深倉(cāng)計(jì)算，物料作用力分布模型如圖2所示。

3.4 約束

料倉(cāng)共設(shè)置二個(gè)層面與轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)房連接。有限元分析時(shí)將上層面與轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)房梁連接處約束水平方向的線位移，下層面與轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)房梁連接處約束豎直方向的線位移。

4 計(jì)算結(jié)果分析

因?yàn)榱蟼}(cāng)下部的四個(gè)出料口并不總是同時(shí)工作，所以物料分布會(huì)出現(xiàn)兩種情況：物料不均勻分布和滿倉(cāng)物料均勻分布。物料在不均勻分布的情況下，料倉(cāng)會(huì)承受偏壓。經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，當(dāng)料倉(cāng)三個(gè)出料口滿料，一個(gè)出料口無(wú)料時(shí)，偏壓情況最為嚴(yán)重。根據(jù)載荷組合一，對(duì)整個(gè)料倉(cāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，通過(guò)應(yīng)力場(chǎng)普查，位于料倉(cāng)上部的環(huán)形梁支撐處為整個(gè)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力的位置，應(yīng)力值為151 MPa，料倉(cāng)各部分結(jié)構(gòu)的工作應(yīng)力值均小于材料設(shè)計(jì)值，最大變形為7mm，料倉(cāng)部分點(diǎn)的最大應(yīng)力值見(jiàn)圖3，變形云圖見(jiàn)圖4。

5 鋼結(jié)構(gòu)方形多出口料倉(cāng)有限元分析結(jié)論

5.1 以前，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)料倉(cāng)的設(shè)計(jì)均是把料倉(cāng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為材料力學(xué)研究的桿件，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況差距很大；如今，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)料倉(cāng)的設(shè)計(jì)是根據(jù)規(guī)范手冊(cè)中對(duì)料倉(cāng)的規(guī)定，通過(guò)把料倉(cāng)劃分為深倉(cāng)或淺倉(cāng)的基礎(chǔ)之上進(jìn)行分析，并采用有限元軟件進(jìn)行三維計(jì)算，這種方式更接近料倉(cāng)結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況。

5.2 在對(duì)設(shè)備進(jìn)行工藝布置時(shí)，應(yīng)兼顧料倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)鋼結(jié)構(gòu)多出口料倉(cāng)來(lái)說(shuō)，如果采用方形倉(cāng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)為倉(cāng)內(nèi)部區(qū)分物料區(qū)域的結(jié)構(gòu)上面，采用箱型結(jié)構(gòu)+圓形出料口能很好的解決此類問(wèn)題，結(jié)構(gòu)受力也比較合理。對(duì)于和本文研究的特種結(jié)構(gòu)類似的料倉(cāng)，可以參照料倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，按照本文提出的設(shè)計(jì)原則和計(jì)算分析方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

[1]GB50077-2003.鋼筋混凝土筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京:中國(guó)計(jì)劃出版社， 2004.

[2]李海旺，劉靜，樹(shù)學(xué)峰.褲型漏斗型鋼貯煤倉(cāng)散料壓力分布研究[J].工程力學(xué)，2010.

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