基于ANSYS 的石灰石料倉靜力和屈曲分析

宋 靜 張 秒 陶 瑛 宋 會 秦俊山

中材建設有限公司（100176）

石灰石料倉是水泥生產(chǎn)企業(yè)在原料配料站用于暫時存儲石灰石的存儲裝置。由于石灰石是水泥生產(chǎn)中用量最大的原料[1]，該料倉的強度、剛度和穩(wěn)定性對生產(chǎn)線的連續(xù)安全運轉非常重要。文章采用有限元軟件ANSYS19.0 對石灰石料倉進行建模求解，根據(jù)計算出的最大應力應變進行該設備結構的強度校核和應力評定；為了防止料倉傾覆，進行了屈曲分析，對該料倉的穩(wěn)定性進行了評價。

1 模型

該φ5.5 m×18.3 m 石灰石料倉的主要設計參數(shù)：主要部件材料為Q235，物料容重為1 400 kg/m3。如圖1 所示，石灰石料倉圓筒形倉壁直徑為5.5 m，高度約為10.5 m，壁厚為10 mm；錐形倉底高度約為7.8 m，壁厚為12 mm，矩形出料口尺寸為1 100 mm×1 300 mm。

料倉筒體是用鋼板卷制焊接而成的薄壁殼體，其厚度遠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，薄板問題通常采用殼單元[2]。料倉的模型建立，忽略了小接管及附件等附屬結構，保留了筒體、支座、加強筋等主要結構。 根據(jù)料倉的幾何結構，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

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。

2.2 載荷

自重可通過定義單元材料屬性中的材料密度，求解時定義重力加速度來施加。 物料載荷、小接管和附件等結構的質(zhì)量可按等效密度施加到對應單元上。

2.3 材料特性

料倉倉壁采用普碳鋼Q235， 其20 ℃時的材料特性見表1，其中δ 為鋼板厚度。

圖1 石灰石料倉幾何結構圖（左）圖2 石灰石料倉有限元模型（右）

3 結果分析及評定

3.1 靜力分析

利用有限元軟件，通過加載載荷求解，可得到模型每個節(jié)點的應力和應變，其值可通過不同顏色在模型上呈現(xiàn)[3]。 料倉的應變、應力圖分別如圖3、圖4 所示。

表1 鋼板材料特性表（20 ℃）

圖3 料倉綜合變形云圖

圖4 料倉等效應力云圖

料倉最大綜合變形量約為4 mm、 最大應力強度為155 MPa，分別位于圓形筒體和支座底部。 由圖3 和圖4 可知， 在支座的支撐和料壓的作用下，倉體的變形集中在圓筒體和錐體中部；由于支座固定約束，在該處筋板受力較大。

材料Q235 在設計溫度20 ℃下的屈服強度為σs=235 MPa，則材料的安全系數(shù)為235/155=1.52。結果表明其強度和剛度滿足要求，該設備是安全的。

3.2 屈曲分析

結構達到臨界荷載時，一般會發(fā)生屈曲。 所施加荷載乘以屈曲荷載系數(shù)即為臨界荷載。 文章求取了前六階屈曲荷載系數(shù)（如圖5 所示），并給出了第一階特征值屈曲模態(tài)效果圖，如圖6 所示。

圖5 屈曲荷載系數(shù)

圖6 第一階特征值屈曲模態(tài)

由仿真結果可以看出，屈曲變形主要發(fā)生在圓筒倉中部，屈曲荷載系數(shù)從小到大排列，且均為負值。 表明只有施加載荷的方向相反，料倉才會發(fā)生屈曲變形，因此該料倉不會發(fā)生傾覆的危險。

4 結語

通過對石灰石料倉的有限元分析，得出了倉體的最大變形和最大等效應力，驗證了料倉的強度和剛度滿足要求；屈曲分析表明，該料倉具有較好的穩(wěn)定性。 因此，在正常工況下，該料倉是安全的。