粮食钢板筒仓仓壁门有限元计算及结构的优化

◎ 单 良，郭宏魁

（1.中粮工科迎春农牧机械（山东）有限公司，山东 东营 257092；2.东营市新邦金牛装饰有限责任公司，山东 东营 257091）

目前，粮食钢板筒仓所使用的仓壁门构造存在多种形式，常见大体分类有矩形边框直角仓壁门、矩形边框圆角仓壁门、圆管仓壁门等形式。实践中，多次出现了因仓壁门构造不合理导致的如仓体变形、焊缝撕裂等安全隐患。本文根据《粮食钢板筒仓设计规范》（GB 50322—2011）[1]相关的设计要求和计算方法，针对几种常见仓壁门进行有限元计算。对规范结果和有限元结果进行对比，并根据有限元计算的仓壁门应力分布情况，提出仓壁门结构优选方案。由于矩形边框直角仓壁门角部应力过于集中，实际工程设计中应避免此类构造形式的方案，本文的成果可用于指导实际工程设计。

1 规范相关要求

《粮食钢板筒仓设计规范》[1]（以下简称“规范”）对洞口应力计算作出了明确规定。规范中规定仓壁洞口应进行强度计算，洞口应力可采用有限元法计算[2]或规范中的简化方法计算，矩形仓壁门的各处应力可按规范附录B计算。其中规范要求矩形仓门直角角点的应力，无特殊载荷时，集中应力可近似取洞口边缘应力的3～4倍。

2 有限元计算基本数据选择及软件

2.1 计算基本数据选用

选定的粮食装配式钢板筒仓仓壁洞口处壁板厚度为4 mm，仓壁板尺寸为1 560 mm×1 170 mm；仓壁门门框尺寸为600 mm×700 mm×200 mm，材料为 8 mm碳钢板（材质Q235B）；门仓壁板的拉力按板材屈服应力的80%计算，即188 MPa。

2.2 实体构件建模和有限元分析软件

有限元分析软件为Soild Edge 2022[3]，建模参数如下。

（1）材质参数。密度：7 833 kg·m-3；弹性模量：199 947.953 MPa；屈服应力：235 MPa；极限应力：370 MPa[4]。

（2）模型参数。采用三维建模，分析方法采用线性静态，网格划分尺寸为20 mm，网格类型为四面体。

（3）受力状况。板端侧面拉力为188 MPa，自重自动采用，仓壁板面竖向摩擦力为37.4 kN·m-2（仓壁板承受自身产生的竖向摩擦力）。

（4）边界条件。仓壁门位于筒仓底部，仓壁板底面坐落在基础的接触面采用固定约束，仓壁板受力方向平面内采用双向滑动。

3 3种常见结构仓壁门的应力有限元计算

3.1 矩形边框直角仓壁门

矩形边框直角仓壁门模型由Soild Edge 2022计算生成，结果如图1、图2、图3所示。

图1 矩形边框直角仓壁门应力云图

图2 矩形边框直角仓壁门应力等值线图

图3 矩形边框直角仓壁门位移等值线图

根据上述应力和位移计算结果显示，本模型构件材料主要应力为100～400 MPa。角隅应力集中，σmax接近于900～1 000 MPa。应力跨度范围较大，极差大，实际设计时会采取整体加厚的处理方法，仓壁板材料利用率不高。其主要变形位置位于两侧门框中间，呈两侧外凸状，每侧变形量达1 mm。

3.2 矩形边框圆弧角仓壁门

矩形边框圆弧仓壁门模型由Soild Edge 2022计算生成，结果如图4、图5、图6所示。

图4 矩形边框圆弧角仓壁门应力云图

图5 矩形边框圆弧角仓壁门应力等值线图

计算结果显示本模型构件材料主要应力为130～300 MPa。圆形倒角仓壁门框的形式明显改善仓壁板角隅的应力集中情况，σmax接近450～500 MPa。两侧门框亦呈两侧外凸趋势，最大变形量为0.85 mm。本模型应力跨度范围、极差、仓壁板材料利用率以及变形等方面均有明显改善。

图6 矩形边框圆弧角仓壁门位移等值线图

3.3 圆管仓壁门

圆管仓壁门模型由Soild Edge 2022计算生成，结果如图7、图8、图9所示。

图7 圆管仓壁门应力云图

图8 圆管仓壁门应力等值线图

计算结果显示，圆管仓壁门框的形式消除仓壁板角隅的应力集中情况，主要应力为130～240 MPa，σmax接近300～320 MPa。两侧门框变形呈椭圆形，最大变形量为0.7 mm。

图9 圆管仓壁门位移等值线图

4 计算结果分析

4.1 加强直角边框仓壁门的计算结果分析

对于直角边框的仓壁门结构，计算结果显示角部应力值是正常仓壁板应力的5.5～6.0倍，对应于规范附录B.0.1-1表中σθ/p值在45°时为5.763。如不改变仓壁门构造形式，单独加强仓门边框截面[5]，考虑增强方案的应力分析，由Soild Edge 2022计算生成，结果如图10、图11、图12所示（门框改用20#槽钢，用钢量增加80%）。

图10 槽钢边框直角仓壁门应力云图

图11 槽钢边框直角仓壁门应力等值线图

图12 槽钢边框直角仓壁门位移等值线图

补充模型计算结果显示，槽钢门框的自身应力降低至80～140 MPa，门框两侧最大变形量降低至 0.7 mm。但门框外周围仓壁板角隅处应力情况未发生改善，仓壁板角隅应力值与平板仓壁门框情况基本相当。由此可见仅加强矩形边框，不改变仓壁门的构造形式的处理方法不可取。

4.2 规范计算结果与有限元计算结果的对比

对钢板筒仓仓壁门周边在拉力作用下的应力进行计算，规范附录B.0.1的计算结果与的Soild Edge 2022软件的分析结果（取θ角方向上的较大值）对比见下表1。

表1 规范简化计算与有限元计算结果对比表（单位：N·mm-2）

规范附录B中并未提供圆筒仓壁门的应力简化计算方式，但有限元计算结果显示圆筒仓壁门计算结果与规范附表B.0.1-1中θ=0°时的σθ/p值（1.616）基本相当。

5 构造形式优劣分析

直角仓壁门边框的危险之处在于仓壁板在门框角隅处的应力过于集中，角隅外侧仓壁板应力大，实际应用中如果加强仓壁门周围仓壁板的厚度，会造成材料用量浪费和相邻仓壁板连接的应力分布不均；同时仓壁门处仓壁板缺少加强措施时极易造成在矩形仓壁门外角处撕裂，引起仓体的破坏，造成严重的后果。相对直角仓壁门及圆角矩形仓壁门，圆管型仓壁门的安全性和合理性均得到相应的改善，圆筒形仓壁门周围仓板和仓壁门本身的应力都基本均匀，是以上计算中最安全合理的一种构造形式。

6 结论

（1）方形仓壁门其洞口周边仓壁板应力的有限元计算结果与规范附录B表格中简化计算值基本相符，简化计算时按照规范附表能够满足使用安全。但需注意方形或矩形仓壁门角隅处相邻仓壁板的应力增加幅度，采取相应的安全保证构造措施。

（2）矩形直角仓壁门的模型分析中，角隅仓壁板在角隅120～150 mm的边长范围内应力巨大（直角时σθ/p可达5.5～6.0倍），实际设计时应分散其角隅应力。例如，可采取圆弧角，以分散仓壁板角隅应力。

（3）方形仓壁门侧边框应按两端简支的压弯构件计算，并适当提高仓壁门侧边框的刚度，以解决仓壁板环向拉力分布不均的问题。

（4）实际项目应用中，很多项目都在采用方形和矩形仓壁门且角隅并未做圆角处理，相邻的仓壁板加强亦处理不够，而处理不当会造成粮食钢板筒仓的安全隐患。为满足使用要求，仓壁门应尽量选择圆形结构，使其受力情况合理。在达到同等受力条件下，满足安全使用条件时圆筒仓壁门的材料用量最为 经济。