钢浓密机结构受力分析

李浩

【摘要】本文通过介绍用MIDAS计算某钢结构浓密机的过程，从设计角度提出这种特种结构的一些优化方案，以保证结构安全，降低整体结构的用钢量，并对单元模拟、荷载施加、边界条件和分析结果予以重点介绍。

【关键词】钢结构浓密机;MIDAS;有限元模型;弧形底板

1.引言

浓密技术是近年来迅速发展起来的在矿物加工、湿法冶金、污水处理、膏体充填和尾矿干堆等诸多领域得到广泛应用的一门新技术，浓密机也在矿山行业中得到了广泛应用[1～3]。然而，不同厂家的同种类型浓密机，其整体结构的用钢量却有较大区别。本文采用MIDAS软件对某55m直径的深锥浓密机建立了有限元模型，进行风荷载、地震荷载、自重、槽内矿浆压力荷载作用下的受力分析[4]，并根据计算结果对原设计提出了一些优化建议。

2.结构概况

浓密机由浓密机池体及支撑结构两部分组成，结构阻尼比为0.02。钢结构池体及梁柱均选用Q355B钢材，柱间支撑选用Q235B钢材。

池壁高3m，从上至下0～1.5m，钢板厚度为6mm;1.5～3m，钢板厚度为8mm。桥架的支撑钢柱采用HW175x175x7.5x11。

池底角度为13°。距离漏斗边缘0～4m宽的范围内，钢板厚度为8mm;4m～6.5m宽的范围内，钢板厚度取为10mm;其他位置钢板厚度为12mm。最下方漏斗，钢板厚度为30～40mm。

支撑结构的钢柱为HW350x350x12x19，钢梁为HN600x200x11x17，次梁为HW100x100x6x8，柱间支撑为圆钢管φ108x5。

3.模型建立

3.1单元模拟

本结构使用MIDAS-GEN进行计算，其中支撑结构的柱、梁均采用梁单元模拟;柱间支撑采用桁架单元模拟;池体采用板单元模拟，池底为弧形。计算模型如图1所示。

3.2荷载施加

3.2.1永久荷载

永久荷载包括池体及支撑结构自重、桥架自重等。桥架荷载以集中力形式施加。自重通过软件自动施加在-Z方向。

3.2.2可变荷载

可变荷载包括矿浆荷载，附加扭矩，风荷载等。

根据设计要求，矿浆最大重度为12.0kN/m3，矿浆荷载以流体荷载的方式施加在池壁、池底及漏斗上，如图2所示;附加扭矩约为5000kNm，以均布荷载的方式施加在桥架支撑结构上;当地基本风压ω0=0.5kN/m2，地面粗糙度类别为B类，风荷载施以面荷载的方式施加在池体上，如图3所示。

3.2.3地震荷载

地震作用采用反应谱法进行分析。池体内的矿浆质量较大，对地震计算结果有较大影响，在采用软件计算时应当考虑此部分的质量。具体操作方法如下，首先在池壁上施加矿浆荷载，然后将矿浆荷载的方向修改为-Z方向，通过将荷载转化为质量的方式将矿浆质量凝聚到池壁及池底板单元的节点上。

场地抗震设防烈度为7度（0.10g），设计地震分组为第一组，建筑场地类别Ⅱ类。据此得出反应谱函数，如图4所示。

3.3边界条件施加

浓密机内圈及外圈钢柱柱脚采用铰接连接，漏斗底面也按铰接固定，仅约束X，Y，Z三个方向的位移。

4.计算结果分析

本文验算了正常操作工况下浓密机的强度和变形，并验算了考虑沉槽等极限状态下浓密机池体及支撑结构的强度。

4.1强度计算

池体强度校核的主要依据是《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》（GB50341-2014）[5]及《钢制焊接常压容器》（NBT47003.1-2009）[6]。支撑结构强度校核时的主要依据《钢结构设计标准》（GB50017-2017）[7]。强度计算结果如图5～图6所示。

4.2位移计算

正常操作工况下，池体变形及支撑结构变形如图7所示。此时，池体最大绝对位移为6.85mm，支撑钢结构的最大绝对位移为6.59mm，说明整体模型相对变形较小，刚度较好。

4.4模型细节

浓密机池底在建模时应考虑底板弧形的影响，如图8所示。池底板做成弧形可充分利用钢板受拉能力，避免钢板弯曲应力过大。经验算，对于本文中的浓密机，池底做成弧形后，应力计算结果降低约30%。

6.结论

6.1通过该模型计算发现，柱间支撑可隔跨设置，能够满足整体刚度的要求，同時也有利于池体下部空间的利用。

6.2池底做成弧形充分利用钢板的受拉性能，受力更合理，同时可以优化掉池底次梁及部分加劲肋。

6.3浓密机设计时，池底板应避免采用扇形分割，可采用环形八卦式分割，这样可减少钢板的加工损耗率。

参考文献

[1] 王新民，张国庆等.深锥浓密机底流浓度预测与外部结构参数优化[J].重庆大学学报 2015， 38（6）： 1-7

[2] 彭业贵.24m浓密机的受力分析与改进[J].矿山机械，2005，33（11）：102-103.

[3] 闫少冲，张砾，蒋纯.中心传动高效浓密机驱动机构关键参数的选取[J].矿山机械，2017，45（11）：67-68.

[4] 郑伟. 基于知识工程的浓密机结构合理化设计与分析[D].北京： 北京化工大学， 2014.

[5] GB50341-2014 立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范[S]. 北京：中国计划出版社，2014.

[6] NBT47003.1-2009 钢制焊接常压容器[S]. 北京：新华出版社，2009.

[7] GB50017-2017 钢结构设计标准[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2017.