黄料仓结构的有限元分析

宋 会 宋 静 童来苟 蒋立彬 秦俊山

中材建设有限公司（100176）

在水泥熟料煅烧过程中，由于操作不当或设备损坏等原因，会生产出夹生的黄心料。为了保证水泥质量，一般会将黄心料从熟料中分离开来另行存储，黄料仓就是存放黄心料的一种设备。 目前，黄料仓的设计多基于相关的钢板仓设计规范，按照传统的设计方法，料仓的数学模型必须简化处理，这会引起较大的设计误差，使设计人员偏于保守，因而造成材料和加工方面的浪费。数值解不仅可以克服以上矛盾，还能计算模型各处的应力和应变大小。现行工程技术领域的数值模拟方法主要是有限元法[1]。为了满足设备安全经济的要求，这里采用有限元软件，对黄料仓进行建模求解，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，为黄料仓的结构设计和优化提供依据。

1 模型

该φ8.0 m×18.9 m 黄料仓的主要设计参数：设计温度为100 ℃，主要部件材料为Q345，物料容重为1 800 kg/m3。 如图1 所示，黄料仓圆筒形仓壁直径为8.0 m，高度为15.2 m，壁厚为12 mm；锥形仓底高度为3.7 m，壁厚为12 mm；矩形出料口尺寸为800 mm×800 mm。

黄料仓筒体是用钢板卷制焊接而成的薄壁壳体，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[2]。黄料仓的模型建立，忽略了小接管及附件等附属结构，保留了筒体、支座、加强筋等主要结构。根据黄料仓的几何结构，采用壳单元建模，有限元模型如图2 所示。

2 边界条件

2.1 约束

黄料仓竖直安装，通过支座固定安装在支撑梁上，对支座底板施加全约束。

图1 黄料仓几何结构图

图2 黄料仓有限元模型

2.2 载荷

自重载荷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、小接管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

黄料仓仓壁采用低合金钢Q345，加强筋采用普碳钢Q235，其100℃时的材料特性见表1，其中δ 为钢板厚度。

3 应力结果分析及评定

3.1 应力结果分析

通过加载载荷，同时支座底板已被约束，黄料仓会产生变形，利用有限元软件求解，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实体模型上呈现[3]。黄料仓的应变、应力图分别如图3、图4 所示。

黄料仓最大综合变形量约为10 mm、最大应力强度为189 MPa， 位于圆形筒体和锥形仓底接合部位。

表1 钢板材料特性表（100 ℃）

图3 黄料仓综合变形云图

图4 黄料仓等效应力云图

由图3 和图4 可知，随着物料压力自上而下逐渐增大，圆形仓体受力也逐渐加大，筒体底部达到最大值；由于支座的支撑作用，整个圆形仓体的变形量极小。 锥形仓底自由悬空，在物料的作用下，变形量比圆形仓体相对较大。

3.2 应力强度评定

黄料仓的最大应力强度在圆形筒体和锥形仓底接合部位，其值为189 MPa。 材料Q345 在设计温度100 ℃下的屈服强度为σs=315 MPa，则材料的安全系数为315/189=1.67。 校核结果满足强度要求，该设备是安全的。

4 结语

通过对黄料仓的有限元分析，得出了仓体的最大变形和最大等效应力，明确了整体的应力和变形分布，为以后类似料仓的设计提供了借鉴。