电厂钢煤斗的MIDAS有限元分析

赵 辉，马 锋，李启宏

（湖北省电力勘测设计院有限公司，湖北 武汉 430040）

0 引言

在火力发电厂主厂房煤仓间设有钢煤斗，用来储存、转运经输煤栈桥运至主厂房的煤，由于钢材材质均匀、自重轻、强度高、变形能力强、有良好的塑性和冲击韧性，而且施工方便、速度快且经济性较好［1］，近年来钢煤斗已在许多燃煤火力发电厂中被广泛采用。对电厂钢煤斗在设计荷载下的力学性能进行分析，得到钢煤斗各个部位的应力和变形［2］，找到应力集中和应力变形较大的部位，从而提出相应的改进措施，为以后的设计工作提供借鉴。

1 工程概况

某电厂采用的钢煤斗上口尺寸8.0 m×7.5 m，下口尺寸2.0 m×0.8 m，该煤斗为单轴对称结构，煤斗结构如图1所示。煤斗直段2.0 m，斜段11.9 m，直段较小，采用支撑式结构布置困难，钢煤斗采用悬挂式结构，煤斗直段支撑于皮带层的煤斗梁牛腿上。该煤斗下接落煤管道，上部与皮带层楼面板封闭连接。

图1 煤斗视图

2 钢煤斗的有限元分析

2.1 有限元模型的建立

钢煤斗在设计中参照《贮仓结构设计手册》，采用全手算进行设计，煤斗斜壁设计厚度14mm，横向加劲肋选取3种不同大小截面，热轧角钢L200×125×16、L180×110×16、L160×100×14，纵向加劲肋为 160 mm×10 mm，煤斗材料选用Q235钢材。根据钢煤斗几何尺寸，利用MIDAS软件建立实体模型，整个钢煤斗构件均采用板单元进行计算［1，3］。煤斗储煤容重 13.6 kN /m3，储煤内摩擦角取 30°［1，3-4］，则侧压力系数为［1，4］

式中：φ为煤的内摩擦角。

分别按竖向荷载和水平压力对煤斗加载，竖向荷载大小为

式中：γ为煤的容重；h为储煤深度；α为煤斗斜壁的倾斜角度。

水平压力大小为

钢煤斗的有限元模型如图2所示。由于工程中钢煤斗为悬挂式结构，且上部悬挂于牛腿处点焊连接防止滑动，故模型中对牛腿支撑处施加刚性位移约束。计算中考虑材料自重，记恒荷载为DL，活荷载LL，则荷载组合为 1.1×（1.2DL+1.3LL）［2-4］，进行有限元计算。

图2 钢煤斗有限元模型

2.2 有限元模型的建立

钢煤斗在设计荷载作用下的Mises应力如图3所示，位移如图4所示。钢煤斗的应力变形有如下分布规律：

1）钢煤斗在横向加劲肋角部转折处有明显的应力集中现象［1］。钢煤斗最大应力发生在从上至下第5号横向加劲肋角部，最大应力为208.03 MPa。各层横向加劲肋角部交汇处都有明显的应力集中现象，图中可明显看出角部交汇处周围应力迅速降低。

图3 设计荷载作用下钢煤斗应力云图

图4 设计荷载作用下钢煤斗位移云图

2）钢煤斗斜壁段应力普遍较低，最大应力也在斜壁相交的角部和斜壁与竖直段连接处为59.4 MPa，如图5所示。钢煤斗斜壁与竖壁相交处出现不同程度的应力集中现象，局部最大应力达到161.7 MPa，如图6所示。煤斗斜壁和横向加劲肋应力分布符合实际规律，中间和两端应力较大，其他地方应力较小，该模型能反映钢煤斗真实的受力情况。

图5 斜壁相交处局部应力云图

图6 斜壁与竖壁相交处局部应力云图

3）钢煤斗较大斜壁的中部及其加劲肋位移最大，最大位移为16.45 mm。主要原因是该处荷载较大且横向加劲肋尺寸较长，其他地方位移逐渐减小，符合变形特征分布。

2.3 加密网格后的对比分析

为精确计算局部应力集中对煤斗壁和加劲肋的影响，在计算中将MIDAS模型的网格划分更加细化［5］，以期望得到更精确的结果，但计算发现结果并不理想，其原因是MIDAS进行有限元计算单纯考虑有限元网格划分后的节点进行荷载传递，要想得到更精确的结果需要将横向加劲肋的网格更加细化。但考虑到横向加劲肋与斜壁的连接，若将所有网格均进行过分细化会大大增加工作量且大部分细化工作没有必要，因此MIDAS在模拟构件接触方面较逊色于其他专业有限元计算软件。

原网格进行适当细化后，计算结果如图7～10所示。在所有网格节点处应力均存在明显的应力集中现象，与实际的应力分布情况有一定的出入，局部位置不能真实反映各个构件的应力分布特点。

图7 网格细化后横肋局部应力云图

图8 网格细化前横肋局部应力云图

图9 网格细化后斜板局部应力云图

图10 网格细化前斜板局部应力云图

3 有限元结果与手算结果对比分析

由有限元计算结果可知，该钢煤斗应力较大部位主要集中在水平角钢加劲肋转角处和跨中处，角部应力最大，起控制作用。按照《贮仓结构设计手册》进行钢煤斗设计时同样是通过计算跨中和支座端弯矩进行加劲肋设计，现将1～16号加劲肋的有限元计算结果与手算结果进行对比如图11～12所示。

图11 横向加劲肋端部应力比较

由图11～12对比分析可知，横向加劲肋支座端部应力远大于跨中应力，端部起控制作用。手算所得跨中应力较MIDAS计算偏小，手算所得端部应力较MIDAS计算普遍偏大，这是因为手算按封闭内框架计算横向加劲肋端部和跨中弯矩，并没有考虑斜壁与加劲肋的共同作用，但曲线整体变化趋势较为一致，端部个别点MIDAS计算结果较大是由于转角处网格划分问题和纵向加劲肋交角的应力集中所致。钢煤斗斜板手算最大应力为115.42MPa，同样远大于MIDAS计算结果66.3MPa，因此根据《贮仓结构设计手册》进行设计是偏于保守的。

图12 横向加劲肋跨中应力比较

通过MIDAS有限元分析与手算结果对比分析可知，该钢煤斗在设计荷载作用下处于弹性受力状态，且应变很小，强度和刚度满足设计要求。钢煤斗横向加劲肋角部转折处有明显的应力集中现象［1］，角部周围应力逐渐减小，至横向加劲肋中部应力较大，符合真实受力特征。根据《贮仓结构设计手册》进行计算结果偏于保守，完全能满足设计安全需要。针对钢煤斗横向加劲肋角部应力增大现象，可以考虑减小横向加劲肋的整体截面大小，并采取一定的角部加强措施保证其安全性。如在斜壁角部通常加厚设置弧形钢板，既防止了角部积煤，也减小了应力，或加厚横向加劲肋端部的厚度等，这样在满足设计安全的情况下节省了钢材，缩减了造价，但加强的同时使施工工艺变得复杂，可在以后的工程中酌情考虑进行角部加强。

4 结语

分别利用MIDAS有限元分析软件计算和根据《贮仓结构设计手册》手算对电厂钢煤斗应力进行对比分析，为电厂钢煤斗设计提供了 借鉴。研究表明，钢煤斗在横向加劲肋角部为受力薄弱部位，可在今后的工程中进行加强处理。