生料倉靜力計算和模態分析

班力生 陶 瑛 宋 靜 宋 會

中材建設有限公司（100176）

生料倉是水泥行業暫時存儲水泥生料的存儲裝置，該料倉的強度和剛度對生產線的連續安全運轉非常重要。文章采用有限元法對生料倉進行建模求解，根據計算出的最大應力應變，進行該設備結構強度校核和應力評定；通過模態分析，獲得料倉的固有頻率和振型，便于工程師今后考慮到外部激振的作用，判斷共振是否發生。

1 模型

該φ6.5×7.7m生料倉的主要設計參數:主要部件材料為Q235，物料容重為1200kg/m3。如圖1所示，料倉圓筒形倉壁直徑為6.5m，高度約為5.3m，壁厚為10mm；錐形倉底高度約為2.4m，壁厚為10mm。

圖1 生料倉幾何結構圖

料倉筒體是用鋼板卷制焊接而成的的薄壁殼體，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[1]。根據料倉的幾何結構，采用殼單元建模，有限元模型如圖2所示。

圖2 生料倉有限元模型

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、進料口和附件等結構的質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。

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，可得到模型每個節點的應力和應變，其值可通過不同顏色在模型上呈現[2]。料倉的應變、應力圖，分別如圖3和圖4所示。

表1 鋼板材料特性表（20℃）

表2 生料倉各階頻率

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13mm，最大應力強度為111MPa，分別位于倉底和出料口位置。由圖3可知，由于料倉為傾斜平底，料壓作用下倉底鋼板變形最大；由圖4可知，由于錐底壁板在出料口位置開孔，料壓作用下該位置產生應力集中，此處壁板尖角位置受力較大。

材料Q235在設計溫度20℃下的屈服強度為σs=235MPa，則材料的安全系數為235/111=2.12。結果表明其強度和剛度滿足要求，該設備是安全的。

3.2 模態分析

低階模態對結構的動態性能起主導作用，所以提取料倉前六階固有頻率基本能滿足對其動態性能的評估，見表2。由仿真結果可以看出，料倉最低固有頻率為14.157Hz，一階振型（如圖5所示）為倉蓋豎直方向上的上下振動。應避免外部震源的頻率趨近于設備固有頻率，防止出現設備劇烈振動甚至破裂等嚴重后果。

圖5 第一階振型

4 結語

文章通過對生料倉的有限元分析，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；模態分析得到了料倉前六階固有頻率，為避免共振發生提供了理論依據。