基于ANSYS的矩形钢筒仓有限元分析

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第29卷 专 辑 固 体 力 学 学 报 Vol.29 S.Issue 2008年12月 CHINESE JOURNAL OF SOLID MECHANICS December 2008

基于ANSYS的矩形钢筒仓有限元分析

曾 青* 王国鸿 肖万松

(中冶南方工程技术有限公司结构二室，武汉，430223)

摘 要 矩形钢筒仓在工业建筑中应用广泛，现行简化计算方法参数繁多且公式冗长，而且由于这种结构属于空间薄壳结构，受力状态复杂，简化计算方法不能完全反映出该类结构受力特点。利用有限元计算软件ANSYS对该类结构进行分析，对矩形筒仓实现结构参数化，并将计算结果与简化计算方法相比较，总结得出结构设计要点，用于指导工程设计。

关键词 矩形钢筒仓，有限元方法，结构参数化

引言

在各类工业建筑中，筒仓结构被广泛用来储存固体颗粒、散料。与传统储存方法相比，这种结构具有储容量大、存取方便、物料浪费少的优点。根据有关分析结果，筒仓结构的物料浪费量比其他储存方式少5％~10％。各类筒仓中，钢筒仓具有受力性能好、施工方便等优点，因此在工程中得到广泛应用。

而钢筒仓在应用中面临着居多难题。我国尚未有钢筒仓的专门设计规程来指导设计。虽然一些书籍中介绍了钢筒仓的简化计算方法，但是这些方法中包含有大量的参数和冗长的计算公式，需要耗费大量时间。

将有限元分析方法应用于钢筒仓的设计中，并与实际工程相比较，归纳得出钢筒仓设计要点，进而完成结构参数化，并编制相关程序，来辅助工程设计。 1

工程实例

某高炉筛分楼包含粉矿仓、粒矿仓、焦丁仓、粉焦仓共四个矩形钢筒仓。本文将分别使用简化计算方法和有限元方法对这四个筒仓进行分析，总结得出两种方法的异同点。

根据《钢筋混凝土筒仓设计规范》，筒仓荷载包括永久荷载，可变荷载和地震作用，其中可变荷载主要为贮料压力。贮料压力，按照筒仓的类型不同，分别有深仓和浅仓两种不同计算方法。当筒仓内贮料计算高度与圆形筒仓内径或与矩形筒仓短边之比

*通讯作者. Tel:027-81997008， E-mail: zengqing430@http://www.77cn.com.cn.

大于或等于1.5时为深仓，小于1.5时为浅仓。

浅仓计算公式为： 直段侧压力：

ph=kγs (1)

斜段侧压力：

pn=ξγs (2) 斜段摩擦力：

pt=γs(1 k)sinαcosα (3)

深仓计算公式为： 直段侧压力：

ph=Chγρ(1 e μks/ρ)/μ (4)

直段摩擦力：

pf=ρ[γs γρ(1 e μks/ρ)/μk] (5)

斜段侧压力：

pn=ξγhn (6)

斜段摩擦力：

pt=Cv[Cvγρ(1 e μks/ρ)/μk](1 k)sinαcosα (7)

其中，Ch水平压力修正系数；γ物料重度；ρ水力半径(圆形为Dn/4，矩形为anbn/2/(an＋bn))；μ摩擦系数；ζ见《钢筋混凝土筒仓设计规范》附录D。

由此可知，贮料压力主要与物料的特性有关。本例中各仓的相关参数如下:

粉矿仓1.8 t/m3，粒矿仓1.8 t/m3，焦丁仓0.6 t/m3，粉焦仓0.5 t/m3，内摩擦角35o。

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专 辑 曾 青等：基于ANSYS的矩形钢筒仓有限元分析 61

1.1 有限元分析

按照各仓实际尺寸和加劲布置，建立各仓模型，并利用ANSYS得出分析结果。 1.1.1 有限元模型

筒仓有限元模型见图1~图4。

1.1.2 仓壁板应力

筒仓仓壁应力见图5~图8。 1.1.3 加劲板应力

筒仓加劲应力见图9~图11

。

图1 粉矿仓模型

Fig.1 Model of fine ore silo

图5 粉矿仓壁板应力

图9 粉矿仓加劲应力

Fig.5 Stress of wall panel of fine ore silo

Fig.9 Stress of stiffening for fine ore silo

图2 粒矿仓模型 Fig.2 Model of granular ore silo

图6 粒矿仓壁板应力

Fig.6 Stress of wall panel of granular ore

silo

图10 粒矿仓加劲应力

Fig.10 Stress of stiffening for granular

ore silo

图3焦丁仓模型

Fig.3 Model of coke nut silo

图7 焦丁仓壁板应力

图11 焦丁仓加劲应力

Fig.7 Stress of wall panel of coke nut silo

Fig.11 Stress of stiffening for coke nut

silo

图4 粉焦仓模型

Fig.4 Model of fine coke silo

图8 粉焦仓壁板应力

图12 筒仓参数化示意图 Fig.12 Sketch of silo parameterize

Fig.8 Stress of wall panel of fine coke silo

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62 固体力学学报 2008年第2卷

表3 结构参数变量 Table 3 parameters of structure

结构参数名 料仓直段长度

类型 实型 实型 实型

变量名 z_length

条件 > 0.0

图13 1-1剖面 Fig.13 Section 1-1

料仓直段宽度 料仓直段高度

……

z_width > 0.0 z_height > 0.0

…… …… ……

1.2 简化计算方法

以粉矿仓为例，利用简化计算方法进行分析、计算，计算过程不再赘述，结果见下表：

表1 粉矿仓漏斗加劲计算结果

Table 1 Result of stiffening for hopper of fine ore silo m K qb*

Pa

qa* Pa

Mo N m96637

图14 程序主界面 图15 加劲设置界面

0.72 0.52 80923.09 80923.09

Ma N m

端头应力MPa

跨中应力MPa

挠度mm

Fig.14 Main UI of program Fig.15 UI for stiffener

容许挠度mm

3 总结

(1)有限元计算和简化计算，漏斗(斜段)的加劲

48968 152.15 77.10 6.48 15.18

表2 粉矿仓壁板计算结果

Table 2 Result of wall panel of fine ore silo 弯矩M m PNC

Pa

0.6102 67432

N m 3596.41

挠度 mm 3.01

容许挠度mm 16.00

应力MPa84.29

应力最大，该处是设计的控制点。斜段上的加劲，又以漏斗中部偏上部位最为不利。该处荷载较大，加劲跨度亦较大。同时，壁板斜角度α对加劲受力影响较大，α越小，加劲越不利；

(2)有限元计算，加劲最大应力出现在跨中，最大值为134 MPa；简化计算方法按照封闭框架，取端部弯矩系数约为1/12，跨中弯矩系数约为1/24，最大应力出现在端部，最大值为152 MPa。而实际情况是，加劲与加劲之间的连接，属于一种半刚性连接。实际工程中，将两个方向加劲对焊来保证二者之间刚性是必要的；

(3)有限元计算中，能够考虑钢板的薄膜内力、两个方向的弯矩和扭矩，计算较为精确。简化公式将钢板简化为连续梁，计算比较粗略。对比二者计算可知，公式计算的变形比有限元计算的小(公式值为3.01 mm，有限元值为5.97 mm)，就体现了这一点；

(4)加劲和壁板应力比较大时，最有效的方法是加大加劲的水平向宽度，采用角钢作加劲时，有角钢垂直于壁板和角钢水平放置两种方式。单就提高

通过前文对多个矩形钢筒仓的分析，可将其结构参数归纳为：外形参数、细部参数、荷载参数。其中外形参数比较直观，如图12,13所示。具体的参数按照表3的格式存储。最终，实际工程被完整地参数化。

采用Visual Basic 进行程序设计，UI主界面(如图14所示)提供输入、查询、修改数据等功能，经过数据合理性检验，再编译为通用有限元软件ANSYS能够识别的APDL宏命令文件。ANSYS执行APDL宏命令文件，最终生成ANSYS数据库和文本计算书。

2 结构参数化

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专 辑 曾 青等：基于ANSYS的矩形钢筒仓有限元分析

of steel structures[S]. (in Chinese))

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截面的抵抗矩而言，角钢垂直于壁板更优，但角钢在漏洞转角处的对焊难以施工，因此实际中应用不多。加大钢板厚度也是减小加劲和壁板应力的方式之一，但是效果不如加大角钢明显；

(5)加劲与壁板之间应设置导向板。这是保证计算假定的措施，关键的导向板在加劲跨中和转角处。转角的导向板可增加端部的刚度；中部的导向板可保证加劲变形时，截面抵抗矩不因变形而减小；

(6)当钢板位移较大时，可以在水平加劲之间设置竖向加劲。竖向加劲将钢板细化为小区格，可有效减小钢板位移。但它对改善水平加劲的受力性能没有帮助。

参考文献

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(Load code for the design of building structures[S].2006. (in Chinese))

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for design of reinforced concrete silos[S]. (in Chinese))

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[5] 归衡石, 丁官年. 钢结构钢筒仓―筒仓内各作用计算

[J]. 粮食流通技术, 2000（3）:13-16.

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粮食流通技术(续)，2000（4）:10-14.

[7] 宋昌永. 平底圆柱钢筒仓稳定设计方法比较[J]. 浙江

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[8] 宋昌永. 平底圆形钢筒仓稳定性设计―储料荷载[J],

空间结构. 2003, 9(3):55-60 (Song Changyong. Stability design of flat-bottomed circulat steel silos-silo loading[J]. Spatial Structures, 2003, 9(3):55-60. (in Chinese))

FINITE ELEMENT ANALYSIS OF RECTANGULAR STEEL SILO

BASED ON ANSYS

Qing Zeng Guohong Wan Wansong Xiao

(WISDRI 2# civil department, Wuhan, 430223)

Abstract Rectangular Steel silo is widely used in industry. Current simplified calculational methods relate to too many parameters, and the formula is redundant, which is difficult to use. Steel silos belong to spatial shell building, their stress is complex, and simplified methods can’t reflect all the stress characteristic of them. The result from ANSYS is compared with the result of simplified methods, rectangular steel silo is parameterized, and several design points for practical work are given.

Key words rectangular steel silo, finite element method , structure parameterize

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/4bgi.html