鋼結構方形多出口料倉有限元分析

（北方重工集團有限公司，遼寧 沈陽 110027）

鋼結構方形多出口料倉有限元分析

呂家歡 李紹偉 呂 卓

（北方重工集團有限公司，遼寧 沈陽 110027）

本文對方形多出口料倉的特點進行了ANSYS有限元分析，研究出料倉物料的載荷經驗計算，針對多出料口鋼倉進行了應力與變形設計分析。

多出口料倉；ANSYS有限元；箱型梁；計算分析

鋼倉通常僅作為小型緩沖倉或大型鋼筋混凝土筒倉的漏斗使用，隨著皮帶機輸送系統的發展，對鋼倉提出了更高的要求，要求鋼倉同時具備儲料和給配料的功能。通常，當倉壁計算高度與圓形筒倉內徑之比大于等于1.5時為深倉，小于1.5時為淺倉。本文研究的鋼結構多出口料倉，倉壁直段和傾斜段的尺寸比接近1：1.5，下面有四個出料口，按深倉計算，并對動態壓力系數進行選擇，同時利用有限元軟件對料倉結構進行了分析。

1 工藝布置及結構形式

方形多出口料倉儲料為煤，額定容量為1000噸（1250m3），長12米，寬12米，高15.3米，料倉上部設有給料皮帶機，下部設有4個出料口，出料口為圓形，直徑為1800mm，料倉出料口處設有棒條閘門，用來給四個破碎機供料，料倉整體全部用鋼板和型鋼焊接或栓接而成，如圖1所示。

表1 儲料荷載計算

表2 最大應力分布

圖1 方形料倉工藝布置圖

工藝要求料倉上部設有兩條給料皮帶機，下部四個出料口分別給四個破碎機供料。如果空間允許，圓形料倉從結構受力方面是優選，而就分料功能而言，矩形料倉則較為簡單。根據布置的需要，選擇設計為方形料倉，并在料倉中下部位做箱型梁，對四個錐形分料漏斗來說，可起到支架作用，同時還擁有均勻分料的功能。

圖2 物料作用力分布模型

圖3 料倉結構整體應力云圖

圖4 料倉結構變形圖

2 結構計算模型及計算依據

2.1 計算依據

方形料倉結構的設計資料、圖紙，鋼結構設計規范（GB50007-2003），鋼筯混凝土筒倉設計規范（GB50077-2003）。

2.2 計算條件：

2.2.1 料倉結構設計需要計算的載荷種類：

恒載 DL ：料倉結構自重，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 試驗設置 1～6號池采用單層薄膜覆蓋，7～12號池采用雙層薄膜覆蓋，13～18號池為露天對照組，水深分設30、60 cm兩種水深，具體見表1。試驗期間，分別于2018年4月26日、5月3日進行了換水處理。

整個料倉結構使用的鋼板和型材均為Q345B。彈性模量E為210Gpa，泊松系數為0.3，密度均為7.85×103kg/ m3。屈服應力295～345 Mpa，破壞應力470～630 Mpa。

2.4 Q345B鋼材設計值：

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 計算采用有限元法。

3 料倉結構的有限元分析

3.1 單元選擇

在進行有限元分析時，需要結合料倉的受力情況和結構特點，料倉是由型鋼和鋼板焊接或栓接而成的鋼結構，將鋼結構等效為彈性結構板單元。

3.2 模型中節點的確定遵循如下原則：

模型的節點作為鋼結構各部分的連接點，模型的節點作為鋼結構的施力點。

3.3 載荷

料倉結構有限元分析時的載荷主要是由儲存的物料產生的，物料作用力按深倉計算，物料作用力分布模型如圖2所示。

3.4 約束

料倉共設置二個層面與轉運機房連接。有限元分析時將上層面與轉運機房梁連接處約束水平方向的線位移，下層面與轉運機房梁連接處約束豎直方向的線位移。

4 計算結果分析

因為料倉下部的四個出料口并不總是同時工作，所以物料分布會出現兩種情況：物料不均勻分布和滿倉物料均勻分布。物料在不均勻分布的情況下，料倉會承受偏壓。經過計算分析，當料倉三個出料口滿料，一個出料口無料時，偏壓情況最為嚴重。根據載荷組合一，對整個料倉結構進行應力分析，通過應力場普查，位于料倉上部的環形梁支撐處為整個結構最大應力的位置，應力值為151 MPa，料倉各部分結構的工作應力值均小于材料設計值，最大變形為7mm，料倉部分點的最大應力值見圖3，變形云圖見圖4。

5 鋼結構方形多出口料倉有限元分析結論

5.1 以前，對鋼結構料倉的設計均是把料倉結構轉化為材料力學研究的桿件，計算結果與實際情況差距很大；如今，對鋼結構料倉的設計是根據規范手冊中對料倉的規定，通過把料倉劃分為深倉或淺倉的基礎之上進行分析，并采用有限元軟件進行三維計算，這種方式更接近料倉結構的實際情況。

5.2 在對設備進行工藝布置時，應兼顧料倉結構設計。對鋼結構多出口料倉來說，如果采用方形倉，結構設計的難點為倉內部區分物料區域的結構上面，采用箱型結構+圓形出料口能很好的解決此類問題，結構受力也比較合理。對于和本文研究的特種結構類似的料倉，可以參照料倉設計規范的相關規定，按照本文提出的設計原則和計算分析方法進行結構設計。

[1]GB50077-2003.鋼筋混凝土筒倉設計規范[S]. 北京:中國計劃出版社， 2004.

[2]李海旺，劉靜，樹學峰.褲型漏斗型鋼貯煤倉散料壓力分布研究[J].工程力學，2010.

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