糧食鋼板筒倉倉壁門有限元計算及結構的優化

◎ 單 良，郭宏魁

（1.中糧工科迎春農牧機械（山東）有限公司，山東 東營 257092；2.東營市新邦金牛裝飾有限責任公司，山東 東營 257091）

目前，糧食鋼板筒倉所使用的倉壁門構造存在多種形式，常見大體分類有矩形邊框直角倉壁門、矩形邊框圓角倉壁門、圓管倉壁門等形式。實踐中，多次出現了因倉壁門構造不合理導致的如倉體變形、焊縫撕裂等安全隱患。本文根據《糧食鋼板筒倉設計規范》（GB 50322—2011）[1]相關的設計要求和計算方法，針對幾種常見倉壁門進行有限元計算。對規范結果和有限元結果進行對比，并根據有限元計算的倉壁門應力分布情況，提出倉壁門結構優選方案。由于矩形邊框直角倉壁門角部應力過于集中，實際工程設計中應避免此類構造形式的方案，本文的成果可用于指導實際工程設計。

1 規范相關要求

《糧食鋼板筒倉設計規范》[1]（以下簡稱“規范”）對洞口應力計算作出了明確規定。規范中規定倉壁洞口應進行強度計算，洞口應力可采用有限元法計算[2]或規范中的簡化方法計算，矩形倉壁門的各處應力可按規范附錄B計算。其中規范要求矩形倉門直角角點的應力，無特殊載荷時，集中應力可近似取洞口邊緣應力的3～4倍。

2 有限元計算基本數據選擇及軟件

2.1 計算基本數據選用

選定的糧食裝配式鋼板筒倉倉壁洞口處壁板厚度為4 mm，倉壁板尺寸為1 560 mm×1 170 mm；倉壁門門框尺寸為600 mm×700 mm×200 mm，材料為 8 mm碳鋼板（材質Q235B）；門倉壁板的拉力按板材屈服應力的80%計算，即188 MPa。

2.2 實體構件建模和有限元分析軟件

有限元分析軟件為Soild Edge 2022[3]，建模參數如下。

（1）材質參數。密度：7 833 kg·m-3；彈性模量：199 947.953 MPa；屈服應力：235 MPa；極限應力：370 MPa[4]。

（2）模型參數。采用三維建模，分析方法采用線性靜態，網格劃分尺寸為20 mm，網格類型為四面體。

（3）受力狀況。板端側面拉力為188 MPa，自重自動采用，倉壁板面豎向摩擦力為37.4 kN·m-2（倉壁板承受自身產生的豎向摩擦力）。

（4）邊界條件。倉壁門位于筒倉底部，倉壁板底面坐落在基礎的接觸面采用固定約束，倉壁板受力方向平面內采用雙向滑動。

3 3種常見結構倉壁門的應力有限元計算

3.1 矩形邊框直角倉壁門

矩形邊框直角倉壁門模型由Soild Edge 2022計算生成，結果如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 矩形邊框直角倉壁門應力云圖

圖2 矩形邊框直角倉壁門應力等值線圖

圖3 矩形邊框直角倉壁門位移等值線圖

根據上述應力和位移計算結果顯示，本模型構件材料主要應力為100～400 MPa。角隅應力集中，σmax接近于900～1 000 MPa。應力跨度范圍較大，極差大，實際設計時會采取整體加厚的處理方法，倉壁板材料利用率不高。其主要變形位置位于兩側門框中間，呈兩側外凸狀，每側變形量達1 mm。

3.2 矩形邊框圓弧角倉壁門

矩形邊框圓弧倉壁門模型由Soild Edge 2022計算生成，結果如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 矩形邊框圓弧角倉壁門應力云圖

圖5 矩形邊框圓弧角倉壁門應力等值線圖

計算結果顯示本模型構件材料主要應力為130～300 MPa。圓形倒角倉壁門框的形式明顯改善倉壁板角隅的應力集中情況，σmax接近450～500 MPa。兩側門框亦呈兩側外凸趨勢，最大變形量為0.85 mm。本模型應力跨度范圍、極差、倉壁板材料利用率以及變形等方面均有明顯改善。

圖6 矩形邊框圓弧角倉壁門位移等值線圖

3.3 圓管倉壁門

圓管倉壁門模型由Soild Edge 2022計算生成，結果如圖7、圖8、圖9所示。

圖7 圓管倉壁門應力云圖

圖8 圓管倉壁門應力等值線圖

計算結果顯示，圓管倉壁門框的形式消除倉壁板角隅的應力集中情況，主要應力為130～240 MPa，σmax接近300～320 MPa。兩側門框變形呈橢圓形，最大變形量為0.7 mm。

圖9 圓管倉壁門位移等值線圖

4 計算結果分析

4.1 加強直角邊框倉壁門的計算結果分析

對于直角邊框的倉壁門結構，計算結果顯示角部應力值是正常倉壁板應力的5.5～6.0倍，對應于規范附錄B.0.1-1表中σθ/p值在45°時為5.763。如不改變倉壁門構造形式，單獨加強倉門邊框截面[5]，考慮增強方案的應力分析，由Soild Edge 2022計算生成，結果如圖10、圖11、圖12所示（門框改用20#槽鋼，用鋼量增加80%）。

圖10 槽鋼邊框直角倉壁門應力云圖

圖11 槽鋼邊框直角倉壁門應力等值線圖

圖12 槽鋼邊框直角倉壁門位移等值線圖

補充模型計算結果顯示，槽鋼門框的自身應力降低至80～140 MPa，門框兩側最大變形量降低至 0.7 mm。但門框外周圍倉壁板角隅處應力情況未發生改善，倉壁板角隅應力值與平板倉壁門框情況基本相當。由此可見僅加強矩形邊框，不改變倉壁門的構造形式的處理方法不可取。

4.2 規范計算結果與有限元計算結果的對比

對鋼板筒倉倉壁門周邊在拉力作用下的應力進行計算，規范附錄B.0.1的計算結果與的Soild Edge 2022軟件的分析結果（取θ角方向上的較大值）對比見下表1。

表1 規范簡化計算與有限元計算結果對比表（單位：N·mm-2）

規范附錄B中并未提供圓筒倉壁門的應力簡化計算方式，但有限元計算結果顯示圓筒倉壁門計算結果與規范附表B.0.1-1中θ=0°時的σθ/p值（1.616）基本相當。

5 構造形式優劣分析

直角倉壁門邊框的危險之處在于倉壁板在門框角隅處的應力過于集中，角隅外側倉壁板應力大，實際應用中如果加強倉壁門周圍倉壁板的厚度，會造成材料用量浪費和相鄰倉壁板連接的應力分布不均；同時倉壁門處倉壁板缺少加強措施時極易造成在矩形倉壁門外角處撕裂，引起倉體的破壞，造成嚴重的后果。相對直角倉壁門及圓角矩形倉壁門，圓管型倉壁門的安全性和合理性均得到相應的改善，圓筒形倉壁門周圍倉板和倉壁門本身的應力都基本均勻，是以上計算中最安全合理的一種構造形式。

6 結論

（1）方形倉壁門其洞口周邊倉壁板應力的有限元計算結果與規范附錄B表格中簡化計算值基本相符，簡化計算時按照規范附表能夠滿足使用安全。但需注意方形或矩形倉壁門角隅處相鄰倉壁板的應力增加幅度，采取相應的安全保證構造措施。

（2）矩形直角倉壁門的模型分析中，角隅倉壁板在角隅120～150 mm的邊長范圍內應力巨大（直角時σθ/p可達5.5～6.0倍），實際設計時應分散其角隅應力。例如，可采取圓弧角，以分散倉壁板角隅應力。

（3）方形倉壁門側邊框應按兩端簡支的壓彎構件計算，并適當提高倉壁門側邊框的剛度，以解決倉壁板環向拉力分布不均的問題。

（4）實際項目應用中，很多項目都在采用方形和矩形倉壁門且角隅并未做圓角處理，相鄰的倉壁板加強亦處理不夠，而處理不當會造成糧食鋼板筒倉的安全隱患。為滿足使用要求，倉壁門應盡量選擇圓形結構，使其受力情況合理。在達到同等受力條件下，滿足安全使用條件時圓筒倉壁門的材料用量最為 經濟。