钢结构方形多出口料仓有限元分析

（北方重工集团有限公司，辽宁 沈阳 110027）

钢结构方形多出口料仓有限元分析

吕家欢 李绍伟 吕 卓

（北方重工集团有限公司，辽宁 沈阳 110027）

本文对方形多出口料仓的特点进行了ANSYS有限元分析，研究出料仓物料的载荷经验计算，针对多出料口钢仓进行了应力与变形设计分析。

多出口料仓；ANSYS有限元；箱型梁；计算分析

钢仓通常仅作为小型缓冲仓或大型钢筋混凝土筒仓的漏斗使用，随着皮带机输送系统的发展，对钢仓提出了更高的要求，要求钢仓同时具备储料和给配料的功能。通常，当仓壁计算高度与圆形筒仓内径之比大于等于1.5时为深仓，小于1.5时为浅仓。本文研究的钢结构多出口料仓，仓壁直段和倾斜段的尺寸比接近1：1.5，下面有四个出料口，按深仓计算，并对动态压力系数进行选择，同时利用有限元软件对料仓结构进行了分析。

1 工艺布置及结构形式

方形多出口料仓储料为煤，额定容量为1000吨（1250m3），长12米，宽12米，高15.3米，料仓上部设有给料皮带机，下部设有4个出料口，出料口为圆形，直径为1800mm，料仓出料口处设有棒条闸门，用来给四个破碎机供料，料仓整体全部用钢板和型钢焊接或栓接而成，如图1所示。

表1 储料荷载计算

表2 最大应力分布

图1 方形料仓工艺布置图

工艺要求料仓上部设有两条给料皮带机，下部四个出料口分别给四个破碎机供料。如果空间允许，圆形料仓从结构受力方面是优选，而就分料功能而言，矩形料仓则较为简单。根据布置的需要，选择设计为方形料仓，并在料仓中下部位做箱型梁，对四个锥形分料漏斗来说，可起到支架作用，同时还拥有均匀分料的功能。

图2 物料作用力分布模型

图3 料仓结构整体应力云图

图4 料仓结构变形图

2 结构计算模型及计算依据

2.1 计算依据

方形料仓结构的设计资料、图纸，钢结构设计规范（GB50007-2003），钢筯混凝土筒仓设计规范（GB50077-2003）。

2.2 计算条件：

2.2.1 料仓结构设计需要计算的载荷种类：

恒载 DL ：料仓结构自重，活载LD ：物料作用力。

2.2.2 荷载组合

载荷组合一1.2DL+1.3LD；载荷组合二 DL+LD。

2.3 材料特性

1.2.1 试验设置 1～6号池采用单层薄膜覆盖，7～12号池采用双层薄膜覆盖，13～18号池为露天对照组，水深分设30、60 cm两种水深，具体见表1。试验期间，分别于2018年4月26日、5月3日进行了换水处理。

整个料仓结构使用的钢板和型材均为Q345B。弹性模量E为210Gpa，泊松系数为0.3，密度均为7.85×103kg/ m3。屈服应力295～345 Mpa，破坏应力470～630 Mpa。

2.4 Q345B钢材设计值：

钢板厚t≤16 mm[δ]=310MPa，钢板厚16≤t≤35 mm[δ]=295MPa，

钢板厚35≤t≤ 50 mm[δ] =2 6 5 M P a，

钢板厚50≤t[δ] =250MPa。

2.5 计算采用有限元法。

3 料仓结构的有限元分析

3.1 单元选择

在进行有限元分析时，需要结合料仓的受力情况和结构特点，料仓是由型钢和钢板焊接或栓接而成的钢结构，将钢结构等效为弹性结构板单元。

3.2 模型中节点的确定遵循如下原则：

模型的节点作为钢结构各部分的连接点，模型的节点作为钢结构的施力点。

3.3 载荷

料仓结构有限元分析时的载荷主要是由储存的物料产生的，物料作用力按深仓计算，物料作用力分布模型如图2所示。

3.4 约束

料仓共设置二个层面与转运机房连接。有限元分析时将上层面与转运机房梁连接处约束水平方向的线位移，下层面与转运机房梁连接处约束竖直方向的线位移。

4 计算结果分析

因为料仓下部的四个出料口并不总是同时工作，所以物料分布会出现两种情况：物料不均匀分布和满仓物料均匀分布。物料在不均匀分布的情况下，料仓会承受偏压。经过计算分析，当料仓三个出料口满料，一个出料口无料时，偏压情况最为严重。根据载荷组合一，对整个料仓结构进行应力分析，通过应力场普查，位于料仓上部的环形梁支撑处为整个结构最大应力的位置，应力值为151 MPa，料仓各部分结构的工作应力值均小于材料设计值，最大变形为7mm，料仓部分点的最大应力值见图3，变形云图见图4。

5 钢结构方形多出口料仓有限元分析结论

5.1 以前，对钢结构料仓的设计均是把料仓结构转化为材料力学研究的杆件，计算结果与实际情况差距很大；如今，对钢结构料仓的设计是根据规范手册中对料仓的规定，通过把料仓划分为深仓或浅仓的基础之上进行分析，并采用有限元软件进行三维计算，这种方式更接近料仓结构的实际情况。

5.2 在对设备进行工艺布置时，应兼顾料仓结构设计。对钢结构多出口料仓来说，如果采用方形仓，结构设计的难点为仓内部区分物料区域的结构上面，采用箱型结构+圆形出料口能很好的解决此类问题，结构受力也比较合理。对于和本文研究的特种结构类似的料仓，可以参照料仓设计规范的相关规定，按照本文提出的设计原则和计算分析方法进行结构设计。

[1]GB50077-2003.钢筋混凝土筒仓设计规范[S]. 北京:中国计划出版社， 2004.

[2]李海旺，刘静，树学峰.裤型漏斗型钢贮煤仓散料压力分布研究[J].工程力学，2010.

TU24 < class="emphasis_bold"> 文献标识码：A

A