矿槽料仓受力有限元计算与分析

摘要：通过建立矿槽料仓模型，采用有限元分析方法，分析了矿槽料仓在满载条件下的受力情况。结果表明：矿槽料仓在满载条件下其底部和上沿的应力较大；当矿槽料仓板厚度为5mm时的结构设计能够满足装袋机在满负荷工作时的材料强度要求。

关键词：矿槽料仓 受力分析 有限元方法

矿槽料仓是矿山运输机械中常见的生产设备。在料仓的设计过程中，针对某一具体生产要求对料仓进行受力分析计算一直以来都是非常复杂而又繁锁的问题。由于生产环境和要求的不同，矿石、煤炭的矿槽料仓受力状态复杂，力学模型不宜建立，料仓的设计方式以及其实际的受力情况也不相同，因此给料仓设计计算带来一定困难[1-3]。近些年来，采用有限元分析的方法，在设计过程中对料仓进行有限元分析，得到合理、直观而又准确的受力分析，已成为料仓设计一种新的设计方法[4]。本文采用有限元分析方法，针对某工程中的矿槽料仓进行受力计算，对小型矿槽料仓的优化设计和力学分析具有一定的指导意义。

1 物理模型

本文研究的矿槽料仓形状为长方形棱锥体，上宽下窄，容积为4m3，料斗自身重量为578Kg，满载条件下物料重量为4730Kg。该料仓结构和受力情况如图1。

2 计算方法

本文利用大型有限元结构分析软件ANSYS对矿槽料仓进行有限元受力分析。本文首先选择建模功能强大的SolidWorks软件按照1：1比例建立三维立体模型，然后再通过SolidWorks和ANSYS的数据接口，将三维模型数据导入ANSYS软件。

三维模型导入ANSYS后，采用smartsizing（智能单元大小）划分网格[5]，设置smartsizing的值為4进行自由网格划分，得到料仓的有限元计算网格，如图2所示。

单元类型选用Shell63薄板结构，该单元每个节点具有6个自由度：沿节点坐标系X、Y、Z方向的平动和沿节点坐标系X、Y、Z轴的转动。应力刚化和大变形能力已经考虑在其中。厚度为5mm，钢的弹性模量为2.06×1011Pa，泊松比为0.3，密度为7800Kg/m3。单位统一采用国际单位。矿槽料仓上沿四角的支撑处进行自由度约束。施加非均匀分布压力载荷，压力载荷随深度线性增加。压力载荷：P=ρ物料gh，其中g为重力加速度，h为物料深度。计算采用压力载荷为满载情况。

3 结果分析

加载求解后，在通用后处理模块中查看Von Mises等效应力分布云图，有限元受力分析结果如图3和图4所示，其中图3表示矿槽料仓底部应力分布，而图4表示矿槽料仓上沿的应力分布。由计算结果显示有应力集中，且在矿槽料仓在满载条件下，其底部和上沿的应力较大：矿槽料仓底部的局部最大应力为110Mpa，矿槽料仓上沿的局部最大应力为141Mpa。

由于实际应用环境的复杂性，为确保矿槽料仓的安全性，钢板结构必须具有足够的强度。因此，为保证所设计的矿槽料仓结构的安全性和合理性，利用有限元受力分析结果进行校核材料强度。所设计矿槽料仓材料为Q235钢板，其许用应力为235Mpa。在满载条件下，矿槽料仓的最大应力为141MPa，低于其许用应力235MPa。因此，矿槽料仓板厚为5mm的结构设计完全满足在装袋机满负荷工作时的材料强度要求，且富有一定余量。

4 结论

4.1 采用有限元计算矿槽料仓在满载条件下其底部和上沿的应力较大，当矿槽料仓板厚度为5 mm时的结构设计能够满足装袋机在满负荷工作时的材料强度要求。

4.2 有限元模拟的计算精度可靠，应力分布数据更加直观、全面，计算效率更高，便于在工程中推广应用。

参考文献：

[1]黄健聪.关于短裙座式支座固体料仓的计算探讨[J].广东化工，2011（2），185-186.

[2]李晓栋.矩形固体料仓[J].工业技术，2011（2）：74-75.

[3]周玉申，谭文雄，马延军.料仓的受力分析与计算[J].林产工业，2006，33（1）：22-25.

[4]孙健，武锐.料仓静力学有限元分析及结构优化[J].企业技术开发，2011（3）：8-10.

[5]郑晓雯，李锦彪，刘颖等.基于ANSYS Workbench的液压支架立柱优化分析[J].矿山机械，2011，39（7）：24-26.

作者简介：兰长贵（1963-），男，江西萍乡人，本科学历，主要从事机械设计、研究与理论分析工作。