鋼濃密機結構受力分析

李浩

【摘要】本文通過介紹用MIDAS計算某鋼結構濃密機的過程，從設計角度提出這種特種結構的一些優化方案，以保證結構安全，降低整體結構的用鋼量，并對單元模擬、荷載施加、邊界條件和分析結果予以重點介紹。

【關鍵詞】鋼結構濃密機;MIDAS;有限元模型;弧形底板

1.引言

濃密技術是近年來迅速發展起來的在礦物加工、濕法冶金、污水處理、膏體充填和尾礦干堆等諸多領域得到廣泛應用的一門新技術，濃密機也在礦山行業中得到了廣泛應用[1～3]。然而，不同廠家的同種類型濃密機，其整體結構的用鋼量卻有較大區別。本文采用MIDAS軟件對某55m直徑的深錐濃密機建立了有限元模型，進行風荷載、地震荷載、自重、槽內礦漿壓力荷載作用下的受力分析[4]，并根據計算結果對原設計提出了一些優化建議。

2.結構概況

濃密機由濃密機池體及支撐結構兩部分組成，結構阻尼比為0.02。鋼結構池體及梁柱均選用Q355B鋼材，柱間支撐選用Q235B鋼材。

池壁高3m，從上至下0～1.5m，鋼板厚度為6mm;1.5～3m，鋼板厚度為8mm。橋架的支撐鋼柱采用HW175x175x7.5x11。

池底角度為13°。距離漏斗邊緣0～4m寬的范圍內，鋼板厚度為8mm;4m～6.5m寬的范圍內，鋼板厚度取為10mm;其他位置鋼板厚度為12mm。最下方漏斗，鋼板厚度為30～40mm。

支撐結構的鋼柱為HW350x350x12x19，鋼梁為HN600x200x11x17，次梁為HW100x100x6x8，柱間支撐為圓鋼管φ108x5。

3.模型建立

3.1單元模擬

本結構使用MIDAS-GEN進行計算，其中支撐結構的柱、梁均采用梁單元模擬;柱間支撐采用桁架單元模擬;池體采用板單元模擬，池底為弧形。計算模型如圖1所示。

3.2荷載施加

3.2.1永久荷載

永久荷載包括池體及支撐結構自重、橋架自重等。橋架荷載以集中力形式施加。自重通過軟件自動施加在-Z方向。

3.2.2可變荷載

可變荷載包括礦漿荷載，附加扭矩，風荷載等。

根據設計要求，礦漿最大重度為12.0kN/m3，礦漿荷載以流體荷載的方式施加在池壁、池底及漏斗上，如圖2所示;附加扭矩約為5000kNm，以均布荷載的方式施加在橋架支撐結構上;當地基本風壓ω0=0.5kN/m2，地面粗糙度類別為B類，風荷載施以面荷載的方式施加在池體上，如圖3所示。

3.2.3地震荷載

地震作用采用反應譜法進行分析。池體內的礦漿質量較大，對地震計算結果有較大影響，在采用軟件計算時應當考慮此部分的質量。具體操作方法如下，首先在池壁上施加礦漿荷載，然后將礦漿荷載的方向修改為-Z方向，通過將荷載轉化為質量的方式將礦漿質量凝聚到池壁及池底板單元的節點上。

場地抗震設防烈度為7度（0.10g），設計地震分組為第一組，建筑場地類別Ⅱ類。據此得出反應譜函數，如圖4所示。

3.3邊界條件施加

濃密機內圈及外圈鋼柱柱腳采用鉸接連接，漏斗底面也按鉸接固定，僅約束X，Y，Z三個方向的位移。

4.計算結果分析

本文驗算了正常操作工況下濃密機的強度和變形，并驗算了考慮沉槽等極限狀態下濃密機池體及支撐結構的強度。

4.1強度計算

池體強度校核的主要依據是《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范》（GB50341-2014）[5]及《鋼制焊接常壓容器》（NBT47003.1-2009）[6]。支撐結構強度校核時的主要依據《鋼結構設計標準》（GB50017-2017）[7]。強度計算結果如圖5～圖6所示。

4.2位移計算

正常操作工況下，池體變形及支撐結構變形如圖7所示。此時，池體最大絕對位移為6.85mm，支撐鋼結構的最大絕對位移為6.59mm，說明整體模型相對變形較小，剛度較好。

4.4模型細節

濃密機池底在建模時應考慮底板弧形的影響，如圖8所示。池底板做成弧形可充分利用鋼板受拉能力，避免鋼板彎曲應力過大。經驗算，對于本文中的濃密機，池底做成弧形后，應力計算結果降低約30%。

6.結論

6.1通過該模型計算發現，柱間支撐可隔跨設置，能夠滿足整體剛度的要求，同時也有利于池體下部空間的利用。

6.2池底做成弧形充分利用鋼板的受拉性能，受力更合理，同時可以優化掉池底次梁及部分加勁肋。

6.3濃密機設計時，池底板應避免采用扇形分割，可采用環形八卦式分割，這樣可減少鋼板的加工損耗率。

參考文獻

[1] 王新民，張國慶等.深錐濃密機底流濃度預測與外部結構參數優化[J].重慶大學學報 2015， 38（6）： 1-7

[2] 彭業貴.24m濃密機的受力分析與改進[J].礦山機械，2005，33（11）：102-103.

[3] 閆少沖，張礫，蔣純.中心傳動高效濃密機驅動機構關鍵參數的選取[J].礦山機械，2017，45（11）：67-68.

[4] 鄭偉. 基于知識工程的濃密機結構合理化設計與分析[D].北京： 北京化工大學， 2014.

[5] GB50341-2014 立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范[S]. 北京：中國計劃出版社，2014.

[6] NBT47003.1-2009 鋼制焊接常壓容器[S]. 北京：新華出版社，2009.

[7] GB50017-2017 鋼結構設計標準[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2017.