基于ANSYS的渣仓支架有限元分析

2015-04-24苗瑞凌

综合智慧能源 2015年12期

苗瑞凌

(忻州广宇煤电有限公司，山西忻州 034000)

0 引言

针对某燃煤电厂工程除渣系统的配套设备——渣仓支架进行优化分析。渣仓支架承受的荷载有:渣仓结构自重力，物料自重力，仓顶排气过滤器、斗式提升机等设备自重力，维护栏杆的荷载，风荷载，地震荷载，设备起吊荷载等。除承受上述荷载外，渣仓还应能够承受仓内物料塌方引起的冲击荷载以及运渣汽车可能引起的撞击荷载。因此，如何在满足强度、刚度、安全性、稳定性的前题下减小渣仓支架的质量是一个研究重点。本文以渣仓支架为例，使用ANSYS有限元分析软件，选用了BEAM188单元建立模型［1-6］，分析在多荷载共同作用下结构应力、应变情况，并在有限元计算结果的基础上对其进行了选型设计和优化分析。

1 工程环境

某工程厂址位于码头，地处海边，累年极端最高气温为40℃，累年极端最低气温为13℃，多年平均气温为28.8℃，多年平均风速为3.0～6.0m/s，10m高处累年最大风速为24 m/s，地震加速度峰值为0.2 ～0.4 m/s2。

因此，在模型加载时除了要考虑支架本体所加荷载外，还要充分考虑风荷载和地震荷载。

2 渣仓支架有限元分析

在ANSYS软件中直接建模并分析，可有效缩短开发设计周期［7］。该项目设计的行走机构由箱型梁组成，采用BEAM188单元建模。

分析渣仓支架的变形和应力状况，找出应力集中部位，对其进行刚度和强度分析，并对手爪进行优化。结构的静刚度、静强度分析主要是用来计算在静荷载作用下的结构效应，即分析由于稳态外载引起的渣仓支架各个构件的应力、应变的分布，目的在于考察各个构件是否满足静强度和静刚度要求。在不满足要求时可对材料进行重新选择，改变零件的力学性能;或在不改变材料的情况下改变零件的结构，适量减小受力较弱部位的受力截面，增加受力较大部位的厚度，适量改善应力集中部位的结构厚度或力学性能以提高其受压能力。总之，通过优化使结构既安全、可靠，又不浪费材料，从而降低成本。

2.1 计算工况

该项目基本参数见表1。

表1 基本参数

经计算，渣仓自重力G1=319kN，当渣仓满载渣和水时，渣水总重力G2=1.2×104kN，仓顶钢平台及排气过滤器、斗式提升机等设备及维护栏杆的荷载G3=200 kN，仓顶除尘器自重力G4=3.4 kN，仓顶起吊装置自重力G5=21 kN，动载系数取1.5。

(1)由于渣仓和支架采用8点支撑，所以渣仓自重力和渣水总重力应分布于8点处，即每点受力(319+12000)×1.5÷8=2310(kN)。

(2)G3，G4，G5按均布力加载到上平面四周的横梁上，上平面四周横梁的总长为44.384 m，即(200+3.4+21)×1.5÷44.384=7.6(kN/m)。

(3)风荷载为

式中:风力系数c=1.4;风压高度变化系数kh=1;查询技术规范书可知当地基本风压p=350 N/m2，迎风面积A=38.5 m2，按均布荷载施加。

(4)地震荷载。地震按加速度峰值0.4 m/s2加载。

2.2 前处理过程

设置ANSYS模版，选择分析类型、定义材料、属性及实常数等，准备建模。其中，查询《机械设计手册》［8］可知，235 钢的屈服值为 235 MPa，安全系数取2，弹性模量 E=1.07×105MPa，泊松比 λ =0.3，密度ρ=7.8×10-6kg/mm3。

利用BEAM188单元建立模型。根据实际需要确定了40个关键点。根据以往设计应验，本次初步设计选型为:立柱采用箱型梁800 mm×800 mm×20 mm，上横梁采用箱型梁700 mm×700 mm×20 mm，上层斜撑采用箱型梁400 mm×400 mm×20 mm，下层斜撑采用箱型梁220 mm×220 mm×16 mm，下层横梁采用箱型梁400 mm×400 mm×20 mm。

2.3 后处理过程

(1)添加约束。由于渣仓支架是支撑在地上，所以约束支架的4个立柱底部的6个自由度即可。

(2)施加荷载。荷载按上文计算的工况荷载如实加载。

2.4 分析结果

Solve运行分析后得到应力、应变云图，优化前渣仓支架应力云图如图1所示，应变云图如图2所示。

图1 优化前渣仓支架应力云图

由图1可知，这种选型在实际荷载下的最大应力为72.094 MPa，而许用应力［σ］=235÷2=117.5 MPa，最大应力远远小于该材料的许用应力，说明渣仓支架的初步选型能满足应力要求，安全可靠。由图2可知，最大变形量为5.431 mm，而该结构相应的许用挠度为15989÷1000=15.989(mm)，最大变形量没有超过许用挠度。初步分析该选型刚度和强度满足要求。但从成本来分析，该选型还有一定的优化空间，通过优化将能减轻设备重量，降低成本。

图2 优化前渣仓支架应变云图

3 优化过程

进行重新选型:立柱采用箱型梁700 mm×700 mm×16 mm，上横梁采用箱型梁500 mm×500 mm×16 mm，上层斜撑采用箱型梁400 mm×400 mm×20 mm，下层斜撑采用箱型梁220 mm×220 mm×12 mm，下层横梁采用箱型梁400 mm×400 mm×16 mm。重新运行求解，优化后的渣仓支架应力云图如图3所示，应变云图如图4所示。