生料仓静力计算和模态分析

班力生 陶 瑛 宋 静 宋 会

中材建设有限公司（100176）

生料仓是水泥行业暂时存储水泥生料的存储装置，该料仓的强度和刚度对生产线的连续安全运转非常重要。文章采用有限元法对生料仓进行建模求解，根据计算出的最大应力应变，进行该设备结构强度校核和应力评定；通过模态分析，获得料仓的固有频率和振型，便于工程师今后考虑到外部激振的作用，判断共振是否发生。

1 模型

该φ6.5×7.7m生料仓的主要设计参数:主要部件材料为Q235，物料容重为1200kg/m3。如图1所示，料仓圆筒形仓壁直径为6.5m，高度约为5.3m，壁厚为10mm；锥形仓底高度约为2.4m，壁厚为10mm。

图1 生料仓几何结构图

料仓筒体是用钢板卷制焊接而成的的薄壁壳体，其厚度远小于板面长宽的尺寸，属于有限元的薄板问题。建立有限元模型时，薄板问题通常采用壳单元[1]。根据料仓的几何结构，采用壳单元建模，有限元模型如图2所示。

图2 生料仓有限元模型

2 边界条件

2.1 约束

料仓竖直安装，通过支座固定安装在支撑梁上，对支座底板施加全约束。

2.2 载荷

自重可通过定义单元材料属性中的材料密度，求解时定义重力加速度来施加。物料载荷、进料口和附件等结构的质量可按等效密度施加到对应单元上。

2.3 材料特性

料仓仓壁采用普碳钢Q235，其20℃时的材料特性见表1，其中δ为钢板厚度。

3 结果分析及评定

3.1 静力分析

利用有限元软件，通过加载载荷求解，可得到模型每个节点的应力和应变，其值可通过不同颜色在模型上呈现[2]。料仓的应变、应力图，分别如图3和图4所示。

表1 钢板材料特性表（20℃）

表2 生料仓各阶频率

图3 料仓综合变形云图

图4 料仓等效应力云图

料仓最大综合变形量约为13mm，最大应力强度为111MPa，分别位于仓底和出料口位置。由图3可知，由于料仓为倾斜平底，料压作用下仓底钢板变形最大；由图4可知，由于锥底壁板在出料口位置开孔，料压作用下该位置产生应力集中，此处壁板尖角位置受力较大。

材料Q235在设计温度20℃下的屈服强度为σs=235MPa，则材料的安全系数为235/111=2.12。结果表明其强度和刚度满足要求，该设备是安全的。

3.2 模态分析

低阶模态对结构的动态性能起主导作用，所以提取料仓前六阶固有频率基本能满足对其动态性能的评估，见表2。由仿真结果可以看出，料仓最低固有频率为14.157Hz，一阶振型（如图5所示）为仓盖竖直方向上的上下振动。应避免外部震源的频率趋近于设备固有频率，防止出现设备剧烈振动甚至破裂等严重后果。

图5 第一阶振型

4 结语

文章通过对生料仓的有限元分析，得出了仓体的最大变形和最大等效应力，验证了料仓的强度和刚度满足要求；模态分析得到了料仓前六阶固有频率，为避免共振发生提供了理论依据。