黃料倉結(jié)構(gòu)的有限元分析

宋 會(huì) 宋 靜 童來茍 蔣立彬 秦俊山

中材建設(shè)有限公司（100176）

在水泥熟料煅燒過程中，由于操作不當(dāng)或設(shè)備損壞等原因，會(huì)生產(chǎn)出夾生的黃心料。為了保證水泥質(zhì)量，一般會(huì)將黃心料從熟料中分離開來另行存儲(chǔ)，黃料倉就是存放黃心料的一種設(shè)備。 目前，黃料倉的設(shè)計(jì)多基于相關(guān)的鋼板倉設(shè)計(jì)規(guī)范，按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，料倉的數(shù)學(xué)模型必須簡化處理，這會(huì)引起較大的設(shè)計(jì)誤差，使設(shè)計(jì)人員偏于保守，因而造成材料和加工方面的浪費(fèi)。數(shù)值解不僅可以克服以上矛盾，還能計(jì)算模型各處的應(yīng)力和應(yīng)變大小。現(xiàn)行工程技術(shù)領(lǐng)域的數(shù)值模擬方法主要是有限元法[1]。為了滿足設(shè)備安全經(jīng)濟(jì)的要求，這里采用有限元軟件，對黃料倉進(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)強(qiáng)度校核和應(yīng)力評定，為黃料倉的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供依據(jù)。

1 模型

該φ8.0 m×18.9 m 黃料倉的主要設(shè)計(jì)參數(shù)：設(shè)計(jì)溫度為100 ℃，主要部件材料為Q345，物料容重為1 800 kg/m3。 如圖1 所示，黃料倉圓筒形倉壁直徑為8.0 m，高度為15.2 m，壁厚為12 mm；錐形倉底高度為3.7 m，壁厚為12 mm；矩形出料口尺寸為800 mm×800 mm。

黃料倉筒體是用鋼板卷制焊接而成的薄壁殼體，其厚度遠(yuǎn)小于板面長寬的尺寸，屬于有限元的薄板問題。 建立有限元模型時(shí)，薄板問題通常采用殼單元[2]。黃料倉的模型建立，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)黃料倉的幾何結(jié)構(gòu)，采用殼單元建模，有限元模型如圖2 所示。

2 邊界條件

2.1 約束

黃料倉豎直安裝，通過支座固定安裝在支撐梁上，對支座底板施加全約束。

圖1 黃料倉幾何結(jié)構(gòu)圖

圖2 黃料倉有限元模型

2.2 載荷

自重載荷可通過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應(yīng)單元上。

2.3 材料特性

黃料倉倉壁采用低合金鋼Q345，加強(qiáng)筋采用普碳鋼Q235，其100℃時(shí)的材料特性見表1，其中δ 為鋼板厚度。

3 應(yīng)力結(jié)果分析及評定

3.1 應(yīng)力結(jié)果分析

通過加載載荷，同時(shí)支座底板已被約束，黃料倉會(huì)產(chǎn)生變形，利用有限元軟件求解，可得到模型每個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變，其值可通過不同顏色在實(shí)體模型上呈現(xiàn)[3]。黃料倉的應(yīng)變、應(yīng)力圖分別如圖3、圖4 所示。

黃料倉最大綜合變形量約為10 mm、最大應(yīng)力強(qiáng)度為189 MPa， 位于圓形筒體和錐形倉底接合部位。

表1 鋼板材料特性表（100 ℃）

圖3 黃料倉綜合變形云圖

圖4 黃料倉等效應(yīng)力云圖

由圖3 和圖4 可知，隨著物料壓力自上而下逐漸增大，圓形倉體受力也逐漸加大，筒體底部達(dá)到最大值；由于支座的支撐作用，整個(gè)圓形倉體的變形量極小。 錐形倉底自由懸空，在物料的作用下，變形量比圓形倉體相對較大。

3.2 應(yīng)力強(qiáng)度評定

黃料倉的最大應(yīng)力強(qiáng)度在圓形筒體和錐形倉底接合部位，其值為189 MPa。 材料Q345 在設(shè)計(jì)溫度100 ℃下的屈服強(qiáng)度為σs=315 MPa，則材料的安全系數(shù)為315/189=1.67。 校核結(jié)果滿足強(qiáng)度要求，該設(shè)備是安全的。

4 結(jié)語

通過對黃料倉的有限元分析，得出了倉體的最大變形和最大等效應(yīng)力，明確了整體的應(yīng)力和變形分布，為以后類似料倉的設(shè)計(jì)提供了借鑒。