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)。
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。
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。
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。
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)
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(mǎn)足要求,該設(shè)備是安全的。
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)。
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(mǎn)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。