基于ANSYS的大型钢筒仓有限元分析

颜伟泽

（福建南方路机机械有限公司，福建 泉州 362021）

随着我国基础建设的飞速发展，建筑混合料（如混凝土、沥青混合料、干混砂浆等）搅拌设备趋于大型化，对钢筒仓存储量的要求越来越大。

目前，室外钢筒仓的设计大多参考《粮食钢板筒仓设计规范》，对于筒仓及支承的设计往往采用经验计算，缺乏理论依据。本文详细阐述了室外钢筒仓载荷计算方法，运用ANSYS对某预研中的1000t钢筒仓进行有限元计算，分析钢筒仓在风载及地震工况下的变形及应力状态，为钢筒仓深一步的结构优化，改进设计方法提供理论依据。

1 几何结构参数

以某预研中的干混砂浆搅拌设备外置仓容为1000t的钢筒仓为研究对象，干砂为存储介质，其密度为1600kg/m3，内摩擦角为，砂与筒壁间摩擦系数μ=0.35。该钢筒仓几何模型如图1所示，筒仓直径为6800mm，直筒段高度为15600mm，锥段高度为4850mm，锥角为69.1°。筒仓为槽钢箍和钢板焊接结构，筒仓壁厚由上至下依次为5、6、8和10mm，槽钢箍为槽钢20a；筒体由均布于φ6800圆周上的8根高7650mm、直径φ426mm×12的焊接钢管支柱支承，支柱间斜撑为DN125×4焊接钢管，为保证筒仓出口螺旋安装，底层两面无斜撑。

图1 钢筒仓几何模型

2 荷载计算

钢筒仓结构设计中，要求计算以下主要荷载：重力荷载、物料荷载、风荷载、地震荷载等。

2.1 重力荷载

重力荷载包括：结构自重、固定设备重等，可通过ANSYS软件自动计算，重力加速度取g=9.8m/s2。

2.2 物料荷载

根据GB/T 50322-2001《粮食钢板筒仓设计规范》的规定，圆形筒仓根据贮料高径比的不同，分为深仓和浅仓：当h/d＞1.5时为深仓；当h/d≤1.5时为浅仓（h为贮料高度，d为圆形筒仓内径）。

本例中筒仓h=15.6m，d=6.8m，h/d=2.5，属于深仓结构。

满荷载时，钢筒仓主要承受贮料的法向侧压力以及切向摩擦力的作用，贮料载荷分布按深仓形式施加。

2.2.1 筒仓直段压力计算

筒仓直段压力分为径向压力和轴向摩擦力，具体计算方法如下：

（1）径向压力计算

式中：Ph为贮料对钢仓壁的水平压力，Pa；Cb为贮料水平压力修正系数；ρ为钢仓的水平水力半径；γ贮料的重力密度；μ贮料和钢仓壁间的摩擦系数；k侧向压力系数，k=0.22；s为贮料锥体重心至所计算截面处的距离，m。

查表，并计算得：

（2）竖向摩擦压力计算

深度s处的竖向Pf为：

2.2.2 锥段压力计算

式中：h为贮料计算高度。

（1）锥段法向压力计算

式中：a为锥段与水平夹角，a=55.4°；Cv竖向压力修正系数，Cv=1.3。

（2）锥段切向压力计算

2.3 风荷载

根据GB50009-2001《建筑结构荷载规范》风荷载为：

式中：wk为风荷载的标准值，kN/m2；βz为竖向高度处的风振系数；μs为筒仓结构的体型系数；μz风压高度的变化系数，按B类地区考虑；w0基本风压值，按12级台风考虑。

竖向高度z处的风振系数为：

2.4 地震荷载

筒仓所受地震荷载参照NBT47003.2-2009《固体料仓》计算，场地类别按Ⅱ类选取，选7级抗震设防烈度，由于水平震波对设备破坏最大，故设计时按水平地震波计算。

筒仓总水平地震作用力：

式中：a1为地震影响系数，a1=0.08取；meq为料仓等效总质量，kg；g为重力加速度，g=9.8m/s2。

3 有限元模型建立

3.1 材料属性

钢筒仓结构采用Q235B钢材，材料密度ρ=7800kg/m3，屈服强度σs=235MPa，安全系数取1.5，许用应力 [σ]=156.7MPa， 弹 性 模 量 E=2.06×105MPa， 泊 松 比μ=0.3。

3.2 约束条件

钢筒仓有限元模型如图2所示，仓体采用采用Shell181单元，支承采用Beam188单元，仓体与支承之间采用MPC方式连接，总单元数101063，节点数101286。筒仓立柱与地面相连点采用固定约束，约束6个自由度。由于雪荷载等其他荷载对筒仓力学性能影响较小，不予考虑，故计算时仅考虑筒仓自重、贮料荷载、风荷载和地震荷载。

4 计算结果

钢筒仓按承载能力极限状态设计时，需对满载+风荷载组合和满载+地震荷载组合2种工况进行计算。

4.1 满载+风荷载组合工况

图2 钢筒仓有限元模型

从图3位移云图中可知，满荷载对筒仓直段下部筒壁影响较大，风荷载造成局部筒壁向内凹陷，下锥部变形亦较为明显，局部外凸，但最大位移发生在筒仓顶部，其值为5.163mm，小于设计许用值，符合设计使用要求。从分析结果可知，加强筒仓直段底部（如增加竖筋等）可以取得较好效果。

图3 满载+风载位移云图

图4 满载+风载应力云图

从图4应力云图中可知，该工况下载荷对筒壁的应力影响较小，而对支柱的应力影响较大，最大应力发生在筒仓与支柱连接处，其值为170.55MPa，安全系数 为 1.38＜1.5， 但从应力云图可知，应力最大值区域小且过渡突变，该处为应力集中区，其余区域的应力均小于85.87MPa，安全系数为2.74，符合设计强度要求。从分析结果可知，筒体与支柱连接处为薄弱处，设计及制作时应特别关注。

4.2 空载+风荷载+地震荷载组合工况

从图5位移云图中可以知，空筒仓在承受风荷载及地震载荷作用时，整体变形趋势与满载+风荷载基本一致，只是变形值增大，最大变形同样发生在筒仓顶部，其值为18.72mm，相比满载+风荷载工况增大13.56mm，但远小于设计允许值，符合设计刚度要求。

图5 满载+风荷载+地震荷载位移云图

从图6应力云图中可知，该工况下，风荷载及地震载荷对直段筒壁的影响较小，而对筒仓立柱与仓体连接区域的影响较大，最大应力发生在筒仓立柱顶部与仓体锥部的连接处，其值为251.5MPa，超过材料许用应力极限。但从应力云图可知，最大应力区域较小且过渡突变，该处为应力集中区，其余区域应力均小于150MPa，安全系数为1.57，符合强度要求。

图6 满载+风荷载+地震荷载应力云图

4.3 支腿稳定性分析

如图7所示，立柱稳定性计算结果X向、Y向“稳定”强度均为88.01MPa，材料的抗压强度为375MPa，安全系数为4.26，符合设计稳定性要求。

图7 立柱稳定性计算表

5 结语

总结以上2种工况有限元分析结果可知，在满载+风载、空载+风荷载+地震载荷等2种工况载荷作用下，该钢筒仓的强度及刚度符合设计要求。该筒仓立柱抗压强度安全系数为4.26，立柱稳定性符合设计要求。