基于ANSYS 的石灰石料仓静力和屈曲分析

宋 静 张 秒 陶 瑛 宋 会 秦俊山

中材建设有限公司（100176）

石灰石料仓是水泥生产企业在原料配料站用于暂时存储石灰石的存储装置。由于石灰石是水泥生产中用量最大的原料[1]，该料仓的强度、刚度和稳定性对生产线的连续安全运转非常重要。文章采用有限元软件ANSYS19.0 对石灰石料仓进行建模求解，根据计算出的最大应力应变进行该设备结构的强度校核和应力评定；为了防止料仓倾覆，进行了屈曲分析，对该料仓的稳定性进行了评价。

1 模型

该φ5.5 m×18.3 m 石灰石料仓的主要设计参数：主要部件材料为Q235，物料容重为1 400 kg/m3。如图1 所示，石灰石料仓圆筒形仓壁直径为5.5 m，高度约为10.5 m，壁厚为10 mm；锥形仓底高度约为7.8 m，壁厚为12 mm，矩形出料口尺寸为1 100 mm×1 300 mm。

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]。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

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、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

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。

图1 石灰石料仓几何结构图（左）图2 石灰石料仓有限元模型（右）

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[3]。 料仓的应变、应力图分别如图3、图4 所示。

表1 钢板材料特性表（20 ℃）

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4 mm、 最大应力强度为155 MPa，分别位于圆形筒体和支座底部。 由图3 和图4 可知， 在支座的支撑和料压的作用下，仓体的变形集中在圆筒体和锥体中部；由于支座固定约束，在该处筋板受力较大。

材料Q235 在设计温度20 ℃下的屈服强度为σs=235 MPa，则材料的安全系数为235/155=1.52。结果表明其强度和刚度满足要求，该设备是安全的。

3.2 屈曲分析

结构达到临界荷载时，一般会发生屈曲。 所施加荷载乘以屈曲荷载系数即为临界荷载。 文章求取了前六阶屈曲荷载系数（如图5 所示），并给出了第一阶特征值屈曲模态效果图，如图6 所示。

图5 屈曲荷载系数

图6 第一阶特征值屈曲模态

由仿真结果可以看出，屈曲变形主要发生在圆筒仓中部，屈曲荷载系数从小到大排列，且均为负值。 表明只有施加载荷的方向相反，料仓才会发生屈曲变形，因此该料仓不会发生倾覆的危险。

4 结语

通过对石灰石料仓的有限元分析，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；屈曲分析表明，该料仓具有较好的稳定性。 因此，在正常工况下，该料仓是安全的。