基于ANSYS的大型鋼筒倉有限元分析

顏偉澤

（福建南方路機機械有限公司，福建 泉州 362021）

隨著我國基礎建設的飛速發展，建筑混合料（如混凝土、瀝青混合料、干混砂漿等）攪拌設備趨于大型化，對鋼筒倉存儲量的要求越來越大。

目前，室外鋼筒倉的設計大多參考《糧食鋼板筒倉設計規范》，對于筒倉及支承的設計往往采用經驗計算，缺乏理論依據。本文詳細闡述了室外鋼筒倉載荷計算方法，運用ANSYS對某預研中的1000t鋼筒倉進行有限元計算，分析鋼筒倉在風載及地震工況下的變形及應力狀態，為鋼筒倉深一步的結構優化，改進設計方法提供理論依據。

1 幾何結構參數

以某預研中的干混砂漿攪拌設備外置倉容為1000t的鋼筒倉為研究對象，干砂為存儲介質，其密度為1600kg/m3，內摩擦角為，砂與筒壁間摩擦系數μ=0.35。該鋼筒倉幾何模型如圖1所示，筒倉直徑為6800mm，直筒段高度為15600mm，錐段高度為4850mm，錐角為69.1°。筒倉為槽鋼箍和鋼板焊接結構，筒倉壁厚由上至下依次為5、6、8和10mm，槽鋼箍為槽鋼20a；筒體由均布于φ6800圓周上的8根高7650mm、直徑φ426mm×12的焊接鋼管支柱支承，支柱間斜撐為DN125×4焊接鋼管，為保證筒倉出口螺旋安裝，底層兩面無斜撐。

圖1 鋼筒倉幾何模型

2 荷載計算

鋼筒倉結構設計中，要求計算以下主要荷載：重力荷載、物料荷載、風荷載、地震荷載等。

2.1 重力荷載

重力荷載包括：結構自重、固定設備重等，可通過ANSYS軟件自動計算，重力加速度取g=9.8m/s2。

2.2 物料荷載

根據GB/T 50322-2001《糧食鋼板筒倉設計規范》的規定，圓形筒倉根據貯料高徑比的不同，分為深倉和淺倉：當h/d＞1.5時為深倉；當h/d≤1.5時為淺倉（h為貯料高度，d為圓形筒倉內徑）。

本例中筒倉h=15.6m，d=6.8m，h/d=2.5，屬于深倉結構。

滿荷載時，鋼筒倉主要承受貯料的法向側壓力以及切向摩擦力的作用，貯料載荷分布按深倉形式施加。

2.2.1 筒倉直段壓力計算

筒倉直段壓力分為徑向壓力和軸向摩擦力，具體計算方法如下：

（1）徑向壓力計算

式中：Ph為貯料對鋼倉壁的水平壓力，Pa；Cb為貯料水平壓力修正系數；ρ為鋼倉的水平水力半徑；γ貯料的重力密度；μ貯料和鋼倉壁間的摩擦系數；k側向壓力系數，k=0.22；s為貯料錐體重心至所計算截面處的距離，m。

查表，并計算得：

（2）豎向摩擦壓力計算

深度s處的豎向Pf為：

2.2.2 錐段壓力計算

式中：h為貯料計算高度。

（1）錐段法向壓力計算

式中：a為錐段與水平夾角，a=55.4°；Cv豎向壓力修正系數，Cv=1.3。

（2）錐段切向壓力計算

2.3 風荷載

根據GB50009-2001《建筑結構荷載規范》風荷載為：

式中：wk為風荷載的標準值，kN/m2；βz為豎向高度處的風振系數；μs為筒倉結構的體型系數；μz風壓高度的變化系數，按B類地區考慮；w0基本風壓值，按12級臺風考慮。

豎向高度z處的風振系數為：

2.4 地震荷載

筒倉所受地震荷載參照NBT47003.2-2009《固體料倉》計算，場地類別按Ⅱ類選取，選7級抗震設防烈度，由于水平震波對設備破壞最大，故設計時按水平地震波計算。

筒倉總水平地震作用力：

式中：a1為地震影響系數，a1=0.08取；meq為料倉等效總質量，kg；g為重力加速度，g=9.8m/s2。

3 有限元模型建立

3.1 材料屬性

鋼筒倉結構采用Q235B鋼材，材料密度ρ=7800kg/m3，屈服強度σs=235MPa，安全系數取1.5，許用應力 [σ]=156.7MPa， 彈 性 模 量 E=2.06×105MPa， 泊 松 比μ=0.3。

3.2 約束條件

鋼筒倉有限元模型如圖2所示，倉體采用采用Shell181單元，支承采用Beam188單元，倉體與支承之間采用MPC方式連接，總單元數101063，節點數101286。筒倉立柱與地面相連點采用固定約束，約束6個自由度。由于雪荷載等其他荷載對筒倉力學性能影響較小，不予考慮，故計算時僅考慮筒倉自重、貯料荷載、風荷載和地震荷載。

4 計算結果

鋼筒倉按承載能力極限狀態設計時，需對滿載+風荷載組合和滿載+地震荷載組合2種工況進行計算。

4.1 滿載+風荷載組合工況

圖2 鋼筒倉有限元模型

從圖3位移云圖中可知，滿荷載對筒倉直段下部筒壁影響較大，風荷載造成局部筒壁向內凹陷，下錐部變形亦較為明顯，局部外凸，但最大位移發生在筒倉頂部，其值為5.163mm，小于設計許用值，符合設計使用要求。從分析結果可知，加強筒倉直段底部（如增加豎筋等）可以取得較好效果。

圖3 滿載+風載位移云圖

圖4 滿載+風載應力云圖

從圖4應力云圖中可知，該工況下載荷對筒壁的應力影響較小，而對支柱的應力影響較大，最大應力發生在筒倉與支柱連接處，其值為170.55MPa，安全系數 為 1.38＜1.5， 但從應力云圖可知，應力最大值區域小且過渡突變，該處為應力集中區，其余區域的應力均小于85.87MPa，安全系數為2.74，符合設計強度要求。從分析結果可知，筒體與支柱連接處為薄弱處，設計及制作時應特別關注。

4.2 空載+風荷載+地震荷載組合工況

從圖5位移云圖中可以知，空筒倉在承受風荷載及地震載荷作用時，整體變形趨勢與滿載+風荷載基本一致，只是變形值增大，最大變形同樣發生在筒倉頂部，其值為18.72mm，相比滿載+風荷載工況增大13.56mm，但遠小于設計允許值，符合設計剛度要求。

圖5 滿載+風荷載+地震荷載位移云圖

從圖6應力云圖中可知，該工況下，風荷載及地震載荷對直段筒壁的影響較小，而對筒倉立柱與倉體連接區域的影響較大，最大應力發生在筒倉立柱頂部與倉體錐部的連接處，其值為251.5MPa，超過材料許用應力極限。但從應力云圖可知，最大應力區域較小且過渡突變，該處為應力集中區，其余區域應力均小于150MPa，安全系數為1.57，符合強度要求。

圖6 滿載+風荷載+地震荷載應力云圖

4.3 支腿穩定性分析

如圖7所示，立柱穩定性計算結果X向、Y向“穩定”強度均為88.01MPa，材料的抗壓強度為375MPa，安全系數為4.26，符合設計穩定性要求。

圖7 立柱穩定性計算表

5 結語

總結以上2種工況有限元分析結果可知，在滿載+風載、空載+風荷載+地震載荷等2種工況載荷作用下，該鋼筒倉的強度及剛度符合設計要求。該筒倉立柱抗壓強度安全系數為4.26，立柱穩定性符合設計要求。