基于Workbench的大型濃密機支撐結構強度分析

羅慧君， 姚 心， 郭天宇， 周鳳娟

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

0 引言

濃密機是基于重力沉降作用的固液分離設備，具有濃縮洗滌、緩沖的作用，廣泛應用于冶金、選礦等行業，它是尾礦處理、精礦濃縮等工序的重要設備。濃密機主要是由帶錐底的圓筒形淺槽、耙子和傳動機構等部分組成，圓筒形淺槽通常是由混凝土、金屬焊接板等結構材料建成，而在有色冶金行業中濃密機越來越多的采用鋼襯膠底襯磚結構。鋼襯膠底襯磚結構濃密機長期在強腐蝕性介質下工作易產生擾度，而擾度產生的間隙會使強腐蝕性介質腐蝕鋼池體；其次大型鋼池體濃密機由大量梁柱結構組成，材料用量大，因此展開對大型鋼池體濃密機結構強度分析并優化其梁柱配置和選型非常有必要。國外相關大型工程公司已具備成熟的分析設計手段，但國內目前對鋼殼襯磚的濃密機結構設計手段還不完善。

朱浩浩等[1]通過理論計算結合有限元分析對濃密機在地震載荷工況下進行了數值模擬，根據各工況下濃密機應力應變和變形的分布情況得出濃密機結構強度關鍵控制點，并參照GB 500017—2003《鋼結構設計規范》的規定對橋架進行了強度校核，為濃密機橋架設計提供參考經驗；馬宇山等[2]分析塔式容器在地震和風載荷作用下的應力及變形，并對分析過程進行了參數化處理，為塔設備的在受地震和風載荷工況下模型的處理方法；田君麗等[3]將濃密機承受的多個載荷步進行組合，通過ANSYS軟件計算出危險組合的載荷工況下吸收塔應力變形情況，發現整體結構的薄弱區域，并通過對最危險組合的載荷工況進行應力強度評定；江茂強等[4]對大型裙座支撐式球罐進行了有限元分析，提供了一種大型壓力容器應力分類和強度評定的方法。本文采用Workbench軟件對大型鋼池體濃密機支撐結構在承受自身和礦漿負荷及環境風與地震載荷工況下的應力分布情況和變形進行有限元分析，參照GB 50761—2012《石油化工鋼制設備抗震設計規范》，對濃密機進行四種工況的強度校核并為鋼池體濃密機梁柱選型與配置提供依據。

1 載荷工況分析及組合

根據濃密機的實際使用工況和設計要求，并基于GB 50761—2012《石油化工鋼制設備抗震設計規范》的規定，本次分析只考慮四種載荷[5]：重力載荷、介質載荷、風載荷和地震載荷，并選取濃密機最危險組合載荷工況[6]：

a.重力載荷、介質載荷、25%風載荷和地震載荷；

b.重力載荷、介質載荷和地震載荷；

c.重力載荷、介質載荷和風載荷；

d.重力載荷和介質載荷。

水平方向風載荷參考公式為[1]：

Pw=1.2fiq0D0H0×10-6

式中fi—風壓高度變化系數，取設備距地面高度；

q0—高度為10 m處基本風壓值，N/m2；

H0—設備殼體總長度，mm；

D0—設備外徑，mm。

表1 水平風載荷

地震水平作用參考值為[1]：

Fe=aem0g

式中ae—地震影響系數；

m0—設備自重與介質質量；

G—重力加速度，取g=9.8 m/s2。

表2 水平地震標準值

2 濃密機的有限元模型

ANSYS Workbench大型通用有限元程序具有強大的項目流程管理功能，可將整個仿真流程緊密地結合起來。基于濃密機本體結構的對稱性和工作時載荷的對稱性，可取濃密機二分之一模型進行分析[7]，池體和梁柱均采用shell181單元，網格模型見圖1～圖3。濃密機主體材料為Q345，由于濃密機在工作中還承受其他部件如橡膠、膠泥、磚等重力載荷，故計算中將其簡化成質量點作用在底板上。

圖1 整體網格

圖4 底板等效應力云圖

圖2 環向梁與立柱

圖3 徑向梁與槽體

3 分析結果

結合四種工況的分析結果，現針對較危險的工況1和工況2的結果給出詳細的分析。

3.1 底板分析結果

通過圖4可以看出，兩種工況下濃密機底板最大應力均發生在底板與槽體連接處，大小非常接近，均為99.3 MPa，說明此處為關鍵焊接點，這是由于槽體此處的焊接型鋼用于支撐槽蓋，而槽蓋自重正是通過型鋼間接作用于槽體與底板接連處。

通過圖5可以看出兩種工況下底板位移分布呈現旋轉對稱分布規律，且底板偏外圈的平均變形大于偏內圈的平均變形，其中最大等效位移發生在底板偏外圈環向梁與徑向梁之間的區域，為3.5 mm。根據上述分析的底板各區域的位移分布規律，可增加底板偏外圈環向梁配置或加大外圈環向梁選型和減小內圈環向梁選型或減少內圈環向梁配置，使在滿足濃密機強度的條件下底板的位移變形分布更加均勻。對比其他兩種工況的仿真結果，發現四種工況的應力應變大小與分布結果都較為接近，分析認為這是由于風載與地震載荷對濃密機的結構強度影響較小，而介質壓力對濃密機的結構強度影響較大。

圖5 底板等效位移云圖

3.2 底板梁柱分析結果

圖6～圖10結果表明工況1下底板梁柱最大等效應力發生在內圈立柱與環向梁連接處，最大等效應力為160 MPa；中圈立柱最大等效應力為76 MPa；外圈立柱最大等效應力為104 MPa。工況2下底板梁柱最大應力發生在內圈立柱與環向梁連接處，為160 MPa；中圈立柱最大應力為76 MPa；外圈立柱最大應力為104 MPa。兩工況應力結果基本相同，內圈立柱與環向梁連接處的應力的相對較大，都處于高應力區，但都在材料許用應力范圍內，滿足強度要求；而圓管與外圈立柱連接處應力相對較小，可適當優化圓管的選型，減少材料量。

圖6 內圈立柱等效應力云圖

圖8 外圈立柱等效應力云圖

圖9 橫向圓管等效應力云圖

圖10 橫向圓管等效應力云圖

圖11所示為工況1下立柱支反力結果，由于四種工況立柱支反力結果基本相同，只給出工況1的分析結果。

圖11 工況1下立柱支反力結果

由圖11可以看出，外圈立柱支反力為8 880.4 kN，中圈立柱支反力為8 717 kN，內圈立柱為4 210 kN，中間柱支反力為1 433.8 kN。中圈立柱和外圈立柱的支反力明顯大于內圈立柱和中間柱的支反力，并呈現由內而外，支反力逐漸增大的趨勢，說明外圈立柱對槽體的支撐作用要明顯大于內圈立柱的支撐作用。

3.3 小結

綜上，可以分析得出兩種工況下底板和底板梁柱應力和變形分布情況，結果表明池體和梁柱的應力及撓度均在許用范圍內，滿足設計要求；風載和地震載荷對其強度影響因數較小，介質壓力載荷對其強度影響因數最大；中圈立柱和外圈立柱的支反力明顯大于內圈立柱和中間柱的支反力，并呈現由內而外，支反力逐漸增大的趨勢。

由于篇幅原因，只給了兩種較危險工況的分析結果，其它兩種工況結果如表3所示。由表3可以看出濃密機在四種工況下都滿足設計要求。

4 結語

(1)采用有限元方法對大型鋼池體濃密機支撐結構進行應力分析并依據GB 50761—2012《石油化工鋼制設備抗震設計規范》對大型濃密機進行強度校核，結果表明濃密機設計滿足強度要求；

(2)鋼池體濃密機高應力區發生在內圈立柱與環向梁連接區域，對該處支撐結構的優化應為設計重點；

表3 四種工況下應力與變形結果

(3)本文對鋼池體濃密機在地震和風載荷等多種載荷工況作用下的設計計算提供了一種有效的處理方法；

(4)根據濃密機底板各區域的撓度和梁柱的應力分布，為濃密機底板梁柱的選型和配置提供參考依據。