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选矿工程矩形常压容器强度分析及其优化设计探究

2017-09-11岳士睿

西部论丛 2017年1期
关键词:优化设计强度

岳士睿

摘 要:随着社会经济的不断发展,对矿物资源的消耗量逐渐增加,选矿工程得到高度重视。在选矿工艺中,通常采用缓冲箱、储罐、溜槽等完成运输、储存等工作,其中使用频率最高的便是矩形结构。本文将采用Solid Works软件建模,对模块进行有限元分析,并分析矩形常压容器的静力学原理,从分析结果中可知,加强筋与耳座之间的连接方式,能够有效控制容器的重量,为容器优化提供了极大的参考作用。

关键词:选矿工程;矩形常压容器;强度;优化设计

在以往的选矿工程中,只是单纯的对矩形常压容器的壁厚进行计算,没有考虑到外载荷、容器形式对设备强度产生的影响,在实际选矿工程的应用中,需要通过查图的方式,对壁厚应力、挠度等相关系数进行计算,准确性难以得到切实保障,而采用有限元法则能够将复杂的强度分析问题简单化,使结构形式、各项参数变得更加明确,从而使设计效率得到显著提升。

1选矿工程案例

本文以某选矿工程中的浮选车间总尾矿箱结构为例,对该矩形结构进行分析和研究。已知,该矿箱的基本参数为:长度为2500mm、宽度为1000mm、高度为2000mm,材料使用的是Q235。该容器主要用途为矿浆缓冲槽,根据具体的工程状况可能会满浆,密度为1.9t/m3。本文后续的研究均在其处于满浆的前提下进行,对容器的内部压力进行计算。在箱体壁板中,实际厚度包括名义厚度、钢板厚度负偏差、腐蚀裕度等,本文的研究以名义厚度为准,构建模型进行分析。

2矩形常压容器的有限元分析

2.1加强筋的经济性

在NB/T47003标准中规定,在对容器壁厚进行选择时,应在刚度校核不合格的前提下,增加加强筋结构,而没有探讨加强筋的使用对强度产生的影响。事实上,加强筋的引入必然会影响到容器的强度,因此需要在此基础上采用有限元法,在需要提升强度的基础上,对增加壁厚或者增加加强筋两种方式的经济性进行对比研究。

加强筋对强度的影响、截面膜量之间呈现正比例关系,为了最大限度控制加强筋对最终结果产生的干扰,则需要尽可能的使用截面模量偏小的加强筋,其截面尺寸最终选择为8mm×50mm。为了更好的分析和研究,需要对模型进行精简和优化,使其对结果产生的干扰进一步减小。引入Solid Works软件进行建模,分别在壁厚、加强筋数量均不同的情况下构建模型,同时加载相同的载荷,获取到对应的应力值。

测试结果表明:当壁厚为8mm时,在无加强筋的情况下,壳体的最大应力为197/MPa,在有加强筋的情况下,最大应力为164/MPa,加强筋的最大应力为201/MPa;当壁厚为10mm时,在无加强筋的情况下,壳体的最大应力为130/MPa,在有加强筋的情况下,最大应力为92/MPa,加强筋的最大应力为137/MPa;当壁厚为12mm时,在无加强筋的情况下,壳体的最大应力为94/MPa,在有加强筋的情况下,最大应力为71/MPa,加强筋的最大应力为101/MPa;由此可见,结构均能够充分满足强度要求。将加强筋引入以后,壳体的应力值不断的下降,并且加强筋的应力只是略超过无加强筋情况下的壳体应力,并且较为集中。本次研究的工程模型中,箱体总重为1500kg左右,壁厚每增加2mm,则箱体重量提升259kg,而增设加强筋的作用只有48kg,能够节约14%的材料,且能够呈现出十分良好的刚度与强度。因此,适应加强筋结构的经济性较为显著。

2.2容器连接方式

在选矿工程中,通常情况下采用的连接形式是将底板放置在平台上,与耳座相互连接。为了尽可能减少加强筋对实验结果产生的干扰,采用有限元模型将加强筋去除,当耳座较为靠上时,则有以下几种连接方式:

方案一:将容器处于平台表面,固定好底板,最大压力位于侧壁板与底板的连接位置,且应力数值为130MPa,最大位移距离为1.2mm;

方案二,将土建梁与耳座连接,最大压力位于侧壁板与耳座的连接位置,且应力数值为96MPa,最大位移距离为0.5mm;侧壁板与底板间的最大应力为45MPa;

针对两种连接方式进行对比分析发现,由于结构上存在差异,使两种方案中的最大应力不尽相同。在方案一中,由于底板与平面固定,受到箱体自重影响使侧壁板的底部应力增加,加之受内部压力的影响,底部的应力值更大;在方案二中,最大应力出现在耳座附近,且较为集中,对周围应力的影响较弱,侧壁板底部产生的应力与方案一相比较小,因此总体来看变形较小。因此,采用方案二的方式进行连接,能够使容器强度、刚度等参数得到有效的改善与优化。

2.3外載荷对容器强度的影响

在选矿工程中,矩形容器主要作用在于缓冲与储存,需要接入其他管道,由此产生力矩。载荷是在选矿工程中,外界管道弯矩与管道轴向间的拉伸力,分别对排矿管不受载荷、排矿管受载荷且容器较窄、排矿管受载荷容器较宽三种情况进行有限元分析:

情况一:箱体中的最大应力位于宽侧底部,数值为132MPa,排矿管根部应力不够集中;

情况二:箱体中的最大应力位于宽侧底部,数值为135MPa,排矿管根部应力集中,数值为30MPa;

情况三:箱体中的最大应力位于宽侧底部与排矿管间,数值为180MPa;受到排矿管底部集中区域的最大应力影响,使最大应力数值得到显著提升。

3结论

通过本文的研究可知,将加强筋引入到选矿工艺中,能够有效提升强度,具有较强的经济性;耳座连接形式的选择能够使刚度、强度得到明显提升;外载荷与内压相比,对箱体强度的影响较小;采用有限元法对选矿工程的各项参数进行计算,能够更加清楚直观,计算效率更高,能够为选矿设计提供更多帮助。

参考文献:

[1]初强.活性粉末混凝土(RPC)矩形渡槽槽身结构优化设计及稳定性研究[D].北京交通大学,2016.

[2]丁江宽.矩形顶管工作井围护结构施工力学分析及优化设计[D].内蒙古科技大学,2014.

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