基于ANSYS的圆变方“裤衩形”钢制石灰石仓结构分析

2020-11-05华陆工程科技有限责任公司西安710065

化工设计 2020年5期

雷晓吴量华陆工程科技有限责任公司西安 710065

石灰石仓是火电厂、化工园区的重要构筑物。传统的石灰石仓结构通常为方形、圆形或上方下圆等结构规则对称的形式，但是随着工艺要求越来越复杂多变以及设备布置的限制，异型石灰石仓越来越多。

以青海盐湖某项目4台500 m3石灰石仓为例，考虑钢制结构较混凝土结构施工方便，可现场制作、安装，工期短，具有良好的塑性和冲击韧性，变形能力强，能承受一定的动荷载，项目石灰石仓采用钢制结构设计。根据生产工艺、设备布置及操作、运输等方面综合考量，采取上圆下方即圆变方 “裤衩形”双出料口新型结构形式。尽管圆变方“裤衩形”石灰石仓有着诸多的优势，但相比于对称规则的石灰石仓，其结构复杂，几何突变较多，在外载荷作用下，受力较为复杂，在石灰石仓壁与漏斗壁的连接处以及相邻两漏斗壁连接处常伴随较为明显的应力集中，在计算中需要充分考虑。截至目前, 还没有相关的标准或规范对这类形状石灰石仓的设计给出明确的应力和变形的计算公式。

要设计和分析钢制石灰石仓，达到安全、经济、合理的设计目标，一个行之有效的方法就是利用有限元软件对它进行分析，得到圆变方“裤衩形”钢制石灰石仓应力集中和变形较大的部位，从而对结构设计方案进行优化调整，为工程设计提供可靠依据。

1 工程实例

石灰石仓采用上圆下方即“圆变方”结构，上口尺寸为DN8000 mm直径圆形筒体，中部为“圆变方”异型过渡，具体尺寸见图1。

图1 圆变方“裤衩形”石灰石仓简图

底部出料口采用两个600 mm×600 mm方形结构，总容积约为500 m3。从整体外形可以看出形似“裤衩”，所以称为圆变方“裤衩形”石灰石仓。由于石灰石仓的受力主要集中于漏斗侧壁及“裤衩”裆部，故在此处设置5圈环向加劲肋作为加强支撑。

该石灰石仓具有以下特点：

(1)高径比0.4

(2)上口为圆形，下口为两个方形，中间为圆变方漏斗状异形过渡，结构突变，加劲肋设计时可根据应力分布调整形式、规格和间距。

(3)根据项目设备布置要求，在上部圆筒处采用刚性环耳式支座支撑。

2 建模

2.1 有限元模型建立

实体模型的建立提高了模型的仿真度，但使得网格划分难度加大，计算速度、效率降低，且对计算机的要求较高。考虑到石灰石仓上部直筒部分受力较好，本文重点研究圆变方漏斗段及“裤衩”处的受力分析，因此只建立了石灰石仓支座以下结构的有限元模型。

钢制圆变方“裤衩形”石灰石仓采用ANSYS有限元进行结构分析时分为两部分，即石灰石仓壁和加劲肋，采用板壳单元shell63模拟石灰石仓壁，采用beam188单元模拟加劲肋，有限元模型见图2。

图2 石灰石仓有限元模型

2.2 材料特性

钢制石灰石仓筒体和漏斗段均选用Q235B钢板，石灰石仓在漏斗段设置环向加劲肋支撑，加劲肋采用L100×14等边角钢，材质为Q235B，其弹性模量均为2.01×105MPa，泊松比取0.3。贮料石灰石的重度γ=16kN/m3，内摩擦角φ=35°，物料对钢板的摩擦系数μ=0.3。

2.3 模型加载

本文参考浅仓模型的载荷计算方法并考虑石灰石仓自重，将荷载加载到有限元模型中，为了简化模型，本文未考虑地震载荷、加料冲击载荷的影响。贮料荷载产生的压力示意图见图3。

图3 浅仓贮料压力示意图

贮料压力的计算应符合下列规定：

(1)贮料顶面以下距离s处的水平截面上，作用在仓壁单位面积上的水平压力为ph应按下式计算：

ph=kγS

(2)贮料顶面以下距离s处，作用在仓壁单位面积上的竖向压力为pv应按下式计算：

pv=γS

(3)漏斗壁的切向压力pt应按下式计算:

pt=pv(1-k)sinα·cosα

(4)漏斗壁上的单位面积法向压力pn应按下式计算:

pn=ξpv

ξ=cos2α+ksin2α

由上述计算式可见，仓筒内壁水平侧压力pn的大小是随高度s呈线性变化的，漏斗壁切向压力pt、法向压力pn的大小不仅与高度s呈线性关系，而且与漏斗壁倾角α呈三角函数关系。因此，对不同高度漏斗壁施加随高度和角度变化的荷载，使得数值模拟分析与现实情况更为相符，模型加载见图4。

图4 石灰石仓模型加载

3 计算结果分析

通过对上述有限元模型进行求解，得到了计算结果。观察石灰石仓的应力云图，可以发现加劲肋与漏斗侧壁连接处应力集中并不明显，整体应力分布比较均匀，应力极值较低。但石灰石仓漏斗侧壁在结构上由圆变方、“裤衩”处大方变两小方，此处结构突变、不连续，使得结构变形的角点处产生应力集中，其中“裤衩”裆部外侧角点是应力最集中的部位，应力值最大，达到525.36MPa，见图5和图6。

图5 石灰石仓总应力分布

而石灰石仓漏斗侧壁各交界位置处节点应力最大值为122.13 MPa，其余应力分布较为均匀，见图7。

图7 漏斗侧壁应力分布云图

这是由于钢材具有比较良好的塑性变形能力，可以使应力再分布，从而缓解应力集中。

石灰石仓位移分布云图见图8。

图8 石灰石仓位移分布云图

可以看出，最大位移发生在应力集中点正上方靠近A-A截面以上最近一圈加劲肋附近，为20.645 mm。而此处壁板横向最大跨度L=5650 mm，挠度极限值为L/150= 37.7 mm，20.645<37.7，满足DL5022-2012[2]规定。

加劲肋应力分布情况见图9。

图9 加劲肋应力分布云图

可以看出，加劲肋的应力值最大不超过90.92 MPa，极大值出现在圆变方“裤衩”交界面裆部角点上方最近一圈的加劲肋上，由于总体应力水平不高，本文不对加劲肋受力做单独分析。

改善石灰石仓的受力，降低石灰石仓应力集中和减小变形是石灰石仓设计中应考虑的最主要问题。在石灰石仓设计时，增加石灰石仓的壁厚对改善其受力性能作用较为明显，但当壁厚超过一定值时，其增大引起的受力改善相对有限[3]，同时造成石灰石仓整体结构自重增加较多，对支撑结构要求也越苛刻，经济性较差。为解决这一问题，应该着重考虑从加劲肋规格调整和方位布置来分析对仓体应力的减小与改善。

3.1 增大加劲肋截面

圆变方“裤衩”交界面处应力和变形较大，在此处可以采用增加外围加劲肋的截面(如增大型钢规格)来减小应力集中。

本文仅将交界面处外围一圈加劲肋角钢由L100×14增大为L180×18，经过ANSYS计算，“裤衩”处应力由525.36 MPa降到358.4 MPa，应力减小31.8%，应力改善非常明显；漏斗侧壁应力由122.13 MPa降到121.42 MPa，应力减小甚微；位移由20.645 mm降到18.538 mm，应变减小10.2%，见图10(a)～(c)。

图10 增大加劲肋截面总应力分布云图

由此可见，增大加劲肋截面面积可有效降低“裤衩”处由于结构不连续引起的应力集中。

3.2 增加竖向加劲肋

为了进一步优化石灰石仓加强结构，减小仓体变形，模型仅在圆变方“裤衩”交界面沿仓体外表面向上增加竖向加劲肋。

经过计算，根据应力分析结果，见图11(a)～(c)。

图11 增加竖向加劲肋总应力分布云图

由图可知，“裤衩”处应力由525.36 MPa降到487.48 MPa，应力减小7.21%；漏斗侧壁应力由122.13 MPa降到113.81 MPa，应力减小6.81%；位移由20.645 mm降到11.104 mm，应变减小46.2%。所以增加竖向加劲肋后，漏斗侧壁的应变均改善相当明显，因此，竖向加劲肋在挠度控制方面起到很大作用。

经过优化，本例圆变方“裤衩形”石灰石仓的设计采用圆变方结构突变处增大加劲肋截面(角钢L180×18)和增加竖向加劲肋(角钢L100×14)的方法，通过合适的焊接工艺，让加劲肋与仓壁成为一个整体，在贮料变荷载作用下，相邻构件通过变形协调而共同受力，从而降低应力集中，减小变形。