基于有限元法的網式自然干燥儲倉結構設計*

王 英，王會銘，白 朋，余 飛

(張掖市譽宇農業機械科技有限責任公司，甘肅 蘭州 734000)

0 引 言

玉米制種產業作為“十三五”期間國家的重要戰略決策，根據以玉米種植為重點穩步推進供給側結構性改革的政策，著力解決玉米制種產業發展面臨的專業化、科學化、集約化發展水平不足問題，研發一種網式自然干燥儲倉。 針對目前玉米種子制種產業普遍存在田間基礎設施不完善，農業機械化程度不高，尤其是玉米果穗晾曬場地有限，晾曬設施、果穗及子粒烘干設備不足，導致玉米果穗不易干燥，干燥周期長，遇惡劣天氣，采收時種子霉變，影響發芽率，給制種企業和農戶造成嚴重損失；而使用干燥劑、機械干燥等方式，則會大大增加制種成本。因此，此研究成果即一種網式自然干燥儲倉，可以保證玉米果穗的自然條件下干燥，同時占地面積小，避免惡劣天氣所帶來的損失，代替了地面鋪放晾曬的落后方式。在此網式自然干燥儲倉設計中，關系整體設備安全和運行穩定性的重要設計要求是整體結構設計強度、剛度是否滿足要求。

筆者通過采用有限元方法[1]，在設計過程中，模擬實際工況，對儲倉添加約束，施加載荷，包括自重、玉米重量、風載、雪載等，對組成儲倉的直立式容器、倉下支撐結構、加強筋、卸料裝置進行了強度、剛度校核。該方法對優化網式自然干燥儲倉結構設計、簡化設計校核流程、縮短研發周期、節省研發成本有著重大的意義。

1計算模型及仿真方法

1.1計算模型

文中所述的網式自然干燥儲倉，在其額定工作狀態下，設計性能及主要結構參數見表1所列。

表1 網式自然干燥儲倉主要參數

根據設計意圖，繪制網式自然干燥儲倉的二維設計圖，其結構如圖1所示。

圖1 網式自然干燥儲倉二維設計圖

根據圖1所繪制的二維圖紙，使用SolidWorks三維建模軟件，對網式自然干燥儲倉的結構件進行三維建模，并對模型進行處理，獲得能夠適用于有限元計算的三維模型。自然干燥儲倉計算模型如圖2所示。

圖2 網式自然干燥儲倉計算模型

1.2 計算模型網格劃分

在進行有限元軟件進行仿真分析前，首先需要對計算模型進行離散，即采用前處理軟件，對其進行網格劃分。由于計算對象為固體結構，且整體結構較為復雜，網格劃分采用非結構型網格劃分形式[2]，為了提高計算精度，對局部網格進行了加密，網格輸出類型匹配有限元求解器，全模型共有553548個計算節點，162434個網格單元。網式自然干燥儲倉計算部分網格劃分結果如圖3所示。

圖3 網式自然干燥儲倉計算部分網格劃分

1.3 計算工況

對于網式自然干燥儲倉結構分析，其工況為靜止狀態下，結構體所受載荷對整體產生的應力，以及該應力引起的應變。分析中采用靜力學結構求解模型對該問題進行計算。網式自然干燥儲倉結構體所受的主要載荷包括：儲倉自重、所儲存干燥玉米種子重量、基本風壓及基本雪壓載荷。在進行強度、剛度校核時，考慮極限工況，即在以上幾種主要載荷共同作用條件下，對整體結構進行求解計算。

根據伯努利方程[3]，計算風載對裝滿玉米后，網式自然干燥儲倉的最大風壓載荷為：

(1)

式中：F為風對網式自然干燥儲倉迎風面的作用力，kN；A為迎風面積，m2；r為空氣重度，kN/m3；v為風速，m/s；g為重力加速度，m/s2。

根據式(1)所示，當網式自然干燥儲倉迎風面為寬6 m，高3 m時，風對整體結構的作用力存在最大值；通過查閱風力等級與風速對照表，當風力等級為11級時，即僅次于臺風等級的條件下(風速為28.5～32.6 m/s，取30 m/s為計算值)時，網式自然干燥儲倉所受的最大風載約為9.9 kN。

在雪壓載荷計算時，通過查閱全國的基本雪壓分布[4]，50年一遇最大雪壓取偏大值0.7 kPa。由于網式自然干燥儲倉頂部為平面，且長度為6 m。寬度為0.8 m，則網式自然干燥儲倉所受的最大雪壓載荷為3.36 kN。

1.4 邊界條件

在網式自然干燥儲倉結構分析計算過程中，其材料為Q235，具體材料特性如下：密度為7 850 kg/m3；泊松比為0.3；楊氏模量為200 GPa；抗拉屈服強度為250 MPa；極限應力強度為469 MPa。儲倉底座通過地腳螺栓與地基連接，因此計算時在相應位置處添加固定約束；在設計工況下，儲倉能夠容納的玉米重量為6 500 kg，在此結構下，根據三角函數，計算獲得儲倉內玉米對儲倉內壁向外的作用力為4.33 kN；在極限工況所受的風載為9.9 kN；所受最大雪壓載荷為3.36 kN，同時考慮儲倉結構自身重量在重力勢能作用下對支腿的作用力。網式自然干燥儲倉結構約束及載荷加載情況如圖4所示。

圖4 網式自然干燥儲倉結構約束及載荷加載狀態

圖4中，A為固定約束；B為重力勢能的作用力的方向和大小；C、D為儲倉內玉米對儲倉內壁向外的作用力；E為風載的最大值對儲倉迎風面的作用力；F為儲倉內玉米的自重和雪載在儲倉頂部的自重之和。

2 計算結果與分析

將前處理器劃分的網格導入有限元求解器，采用靜力學計算模型，按照上述的約束條件和載荷類型添加邊界條件，對網式自然干燥儲倉結構進行強度、剛度計算分析。通過計算，獲得網式自然干燥儲倉結構的應力云圖如圖5所示。

圖5 網式自然干燥儲倉結構的應力云圖

從圖5可以看出，網式自然干燥儲倉結構整體應力的最大值出現在底部基座處位置，忽略應力集中效應，應力最大值為155 MPa。此應力分布狀態為儲倉在裝滿玉米種子，且在風載和雪載的最大值共同作用下的結果，且最大值小于材料的許用應力。

在求解儲倉應力分布狀態的基礎之上，進一步計算獲得網式自然干燥儲倉結構整體應變狀態，獲得網式自然干燥儲倉結構整體應變云圖，如圖6所示。

圖6 網式自然干燥儲倉結構的應變云圖

從圖6可以看出，網式自然干燥儲倉結構的應變的最大值為3 mm，位于網式自然干燥儲倉結構的迎風面豎直支撐桿處，同樣，此應變的分布狀態也是在儲倉處于滿負荷，且最大風載、雪載共同作用的情況下。綜合應力和應變的分布狀態云圖，可以判斷，此網式自然干燥儲倉結構的強度和剛度均能夠滿足設計要求。

3 結 語

采用有限元分析的方法，對網式自然干燥儲倉的主體結構在設計定型階段進行強度、剛度校核計算分析。在繪制二維圖紙的基礎上，進行了儲倉主體結構三維模型建模并獲得可用于有限元計算的計算模型，采用前處理軟件進行計算模型的離散，并獲得網格數據文件。為保證設計滿足強度要求，查閱資料，計算獲得所受風載和雪載的最大值作為計算分析的邊界條件，同時按照實際工況，添加約束條件，通過計算分析，獲得了該型網式自然干燥儲倉的主體結構應力與應變的云圖。結果表明：網式自然干燥儲倉的主體結構應變的最大應變為3 mm，應力的最大值為155 MPa，小于材料的許用應力。因此，此儲倉的主體結構能夠滿足極端氣候條件下，額定工作狀態的工作要求。

通過研究所述方法，在網式自然干燥儲倉結構強度、剛度校核計算時，全面考慮風力載荷和雪載對儲倉整體結構的作用力，保證計算結果能夠更加符合實際工況的條件。通過獲得應力、應變的分布云圖，直觀反映計算結果。該方法對設計人員優化儲倉結構設計提供了新的手段，相較于傳統設計方法，能夠極大的縮短設計周期，減少研發成本。