基于ANSYS的大型钢筒仓有限元分析

Engineering工程

hinaCPlant

基于ANSYS的大型钢筒仓有限元分析

颜伟泽

（福建南方路机机械有限公司，福建 泉州 362021）

摘要：详细阐述了钢筒仓仓壁的侧压力及摩擦力、风载荷和地震载荷等的计算方法，并基于ANSYS建立了1000t钢筒仓整体有限元模型，分析了在不同荷载工况下钢筒仓力学性能，对大型钢筒仓的设计及优化提供理论依据。

关键词：ANSYS；钢筒仓；数值计算；载荷

中图分类号：TU398   文献标志码：A   文章编号：1671-0711（2019）06（上）-0161-03

随着我国基础建设的飞速发展，建筑混合料（如混凝土、沥青混合料、干混砂浆等）搅拌设备趋于大型化，对钢筒仓存储量的要求越来越大。

目前，室外钢筒仓的设计大多参考《粮食钢板筒仓设计规范》，对于筒仓及支承的设计往往采用经验计算，缺乏理论依据。本文详细阐述了室外钢筒仓载荷计算方法，运用ANSYS对某预研中的1000t钢筒仓进行有限元计算，分析钢筒仓在风载及地震工况下的变形及应力状态，为钢筒仓深一步的结构优化，改进设计方法提供理论依据。1 几何结构参数

以某预研中的干混砂浆搅拌设备外置仓容为1000t的钢筒仓为研究对象，干砂为存储介质，其密度为1600kg/m，，砂与筒壁间摩擦系数μ=0.35。该钢筒内摩擦角为

仓几何模型如图1所示，筒仓直径为6800mm，直筒段高度为15600mm，锥段高度为4850mm，锥角为69.1°。筒仓为槽钢箍和钢板焊接结构，筒仓壁厚由上至下依次为5、6、8和10mm，槽钢箍为槽钢20a；筒体由均布于φ6800圆周上的8根高7650mm、直径φ426mm×12的焊接钢管支柱支承，支柱间斜撑为DN125×4焊接钢管，为保证筒仓出口螺旋安装，底层两面无斜撑。

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2 荷载计算

钢筒仓结构设计中，要求计算以下主要荷载：重力荷载、物料荷载、风荷载、地震荷载等。2.1 重力荷载

重力荷载包括：结构自重、固定设备重等，可通过ANSYS软件自动计算，重力加速度取g=9.8m/s2。2.2 物料荷载

根据GB/T 50322-2001《粮食钢板筒仓设计规范》的规定，圆形筒仓根据贮料高径比的不同，分为深仓和浅仓：当h/d>1.5时为深仓；当h/d≤1.5时为浅仓（h为贮料高度，d为圆形筒仓内径）。

本例中筒仓h=15.6m，属于深仓结构。d=6.8m，h/d=2.5，满荷载时，钢筒仓主要承受贮料的法向侧压力以及切向摩擦力的作用，贮料载荷分布按深仓形式施加。2.2.1 筒仓直段压力计算

筒仓直段压力分为径向压力和轴向摩擦力，具体计算方法如下：

（1）径向压力计算

式中：Ph为贮料对钢仓壁的水平压力，Pa；Cb为贮料水平压力修正系数；ρ为钢仓的水平水力半径；γ贮料的重力密度；μ贮料和钢仓壁间的摩擦系数；k侧向压力系数，k=0.22；s为贮料锥体重心至所计算截面处的距离，m。

查表，并计算得：

。

（2）竖向摩擦压力计算深度s处的竖向Pf为：即：

2.2.2 锥段压力计算

锥段顶面竖向压力

。

按下式计算：

式中：h为贮料计算高度。查表，并计算得：（1）锥段法向压力计算

式中：a为锥段与水平夹角，a=55.4°；Cv竖向压力修

图1 钢筒仓几何模型

。

正系数，Cv=1.3。

中国设备工程 2019.06 （上）161

Research and Exploration 研究与探索·工艺与技术

查表，并计算得：。（2）锥段切向压力计算

·

查表，并计算得：。2.3 风荷载

根据GB50009-2001《建筑结构荷载规范》风荷载为：式中：w2

k为风荷载的标准值，kN/m；βz为竖向高度处的风振系数；μs为筒仓结构的体型系数；μz风压高度的变化系数，按B类地区考虑；w0基本风压值，按12级台风考虑。

竖向高度z处的风振系数为：

式中：ε为脉动增大系数；ν为脉动影响系数；为

振型系数。

查表，并计算得：。

2.4 地震荷载

筒仓所受地震荷载参照NBT47003.2-2009《固体料仓》计算，场地类别按Ⅱ类选取，选7级抗震设防烈度，由于水平震波对设备破坏最大，故设计时按水平地震波计算。

筒仓总水平地震作用力：

式中：a1为地震影响系数，a1=0.08取；meq为料仓等效总质量，kg；g为重力加速度，g=9.8m/s2。3 有限元模型建立3.1 材料属性

钢筒仓结构采用Q235B钢材，材料密度ρ=7800kg/m3

，屈服强度σs=235MPa，安全系数取1.5，许用应力[σ]=156.7MPa，弹性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3。3.2 约束条件

钢筒仓有限元模型如图2所示，仓体采用采用Shell181单元，支承采用Beam188单元，仓体与支承之间采用MPC方式连接，总单元数101063，节点数101286。筒仓立柱与地面相连点采用固定约束，约束6个自由度。由于雪荷载等其他荷载对筒仓力学性能影响较小，不予考虑，故计算时仅考虑筒仓自重、贮料荷载、风荷载和地震荷载。4 计算结果 

钢筒仓按承载能力极限状态设计时，需对满载+风荷载组合和满载+地震荷载组合2种工况进行计算。

图2 钢筒仓4.1 满载+风荷载组合工况

有限元模型

从图3位移云图中可知，满荷载对筒仓直段下部筒壁影响较大，风荷载造成局部筒壁向内凹陷，下锥部变形亦较为明显，局部外凸，但最大位移发生在筒仓顶部，其值为 5.163mm，小于设计许用值，符合设计使用要求。从分析结果可知，加强筒仓直段底部（如

图3 满载+风载位移云图

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中国设备工程 2019.06 (上)

增加竖筋等）可以取得较好效果。

从图4应力云

图中可知，该工况下载荷对筒壁的应力影响较小，而对支柱的应力影响较大，最大应力发生在筒仓与支

柱连接处，其值为图4 满载+风载应力云图

170.55MPa，安全系数为1.38<1.5，但

从应力云图可知，应力最大值区域小且过渡突变，该处为应力集中区，其余区域的应力均小于85.87MPa，安全系数为2.74，符合设计强度要求。从分析结果可知，筒体与支柱连接处为薄弱处，设计及制作时应特别关注。4.2 空载+风荷载+地震荷载组合工况

从图5位移云图中可以知，空筒仓在承受风荷载及地震载荷作用时，整体变形趋势与满载+风荷载基本一致，只是变形值增大，最大变形同样发生在筒仓顶部，其值为18.72mm，相比满载+风荷载工况增大13.56mm，但远小于设计允许值，符合设计刚度要求。

图5 满载+风荷载+地震荷载位移云图

从图6应力云图中可知，该工况下，风荷载及地震载荷对直段筒壁的影响较小，而对筒仓立柱与仓体连接区域的影响较大，最大应力发生在筒仓立柱顶部与仓体锥部的连接处，其值为251.5MPa，超过材料许用应力极限。但从应力云图可知，最大应力区域较小且过渡突变，该处为应力集中区，其余区域应力均小于150MPa，安全系数为1.57，符合强度要求。

图6 满载+风荷载+地震荷载应力云图

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长管拖车爆破片冬季异常起爆或开裂分析

张新建，张君鹏 

（中国特种设备检测研究院，北京 100000）

摘要：长管拖车爆破片冬季异常起爆或开裂时有发生，给使用单位生产安全带来不稳定因素，甚至对人民群众的生命财产安全造成威胁，本文结合典型车辆爆破片异常起爆、异常开裂泄漏的原因进行分析，并采用ANSYS有限元模拟分析软件对此爆破片装置连接结构进行热固耦合模拟分析，研究结果表明，管件积水结冰是造成爆破片异常起爆或开裂的重要原因，为长管拖车爆破片装置制造、检验和管理提供数据支撑。

关键词：长管拖车；爆破片；易熔合金；热固耦合分析；冰 

中图分类号：U469.6   文献标志码：A   文章编号：1671-0711（2019）06（上）-0163-02

作为移动式压力容器之一的长管拖车快速发展，在全国范围内已具规模，长管拖车具有运送介质易燃易爆、工作压力高、运行环境复杂多变的现状，爆破片与易熔塞组合超压安全泄放装置作为重要安全附件，在长管拖车中得到了广泛应用。但是在我国北方冬季，爆破片与易熔塞组合超压安全泄放装置发生异常起爆或异常开裂泄漏的事件屡见不鲜，此类事件发生在充装母站、加气站、高速公路收费站以及其他人员、建筑密集区域造成天然气泄漏甚至引发燃爆事故，对人民群众的人身财产安全造成了巨大威胁。1 原因分析

以内蒙鄂尔多斯运输井口的车辆为例，该批车辆共计16台车，其中爆破片异常起爆或开裂5台，表现在：（1）爆破片夹持装置（旋塞）外侧连接放空管弯头（图1）管件积水，冬季内蒙地区天气寒冷导致结冰，而管件积水在长管拖车充泄压过程中4.3 支腿稳定性分析

如图7所示，立柱稳定性计算结果X向、Y向“稳定”强度均为88.01MPa，材料的抗压强度为375MPa，安全系数为4.26，符合设计稳定性要求。

图1 端塞、爆破片装置与放

空管弯头组合剖视图

瓶体的温度变化环境下难以避免，水体积膨胀通过易熔塞对爆破片造成挤压，研究表明，水结冰的膨胀力等于冰的机械强度（与温度有关），CNG在充装过程中瓶体内温度升高造成冰融化，而停止充装后，因气温降低水又会结冰体积膨胀造成爆破片重复受力，爆破片在这种条件下疲劳影响异常开裂从而起爆的重要原因。（2）异常扰动：①长期未排污，大量重质成分残留在气瓶内部，运输过程中刹车造成液体倒灌入冲击爆破片，②气质过滤不足含有泥沙，残液过多倒灌后泥沙与爆破片摩擦，有研究表明：70%的爆破片异常起爆为异常扰动起爆。（3）内蒙地区温差较大，二次充装后白天运输瓶内压力有一定幅度升高。经过对该批检验车辆中爆破片异常起爆或开裂的2台车辆进行拆检，现场拆卸发现抽检车辆爆破片异常开裂对应气瓶的放空管弯头均存在积水结冰。2 改进措施

在受限空间内部，水受到外界温度的作用迅速凝固成冰，随之体积膨胀对易熔合金产生力的作用，水结冰对外界最大压力达到5.5kg/cm2，这个压力会作用在易熔合金上，易熔合金通常材质柔软，而易熔合金与爆破片贴合在一起，上述压力间接作用在爆破片上，特别是长管拖车在泄压时瓶体内5 结语

总结以上2种工况有限元分析结果可知，在满载+风载、空载+风荷载+地震载荷等2种工况载荷作用下，该钢筒仓的强度及刚度符合设计要求。该筒仓立柱抗压强度安全系数为4.26，立柱稳定性符合设计要求。

参考文献：

[1]国家粮食局.GB50322-2011，粮食钢板筒仓设计规范[S].北京：中国计划出版社,2011.

[2]NB/T 47003.2-2009，固体料仓[S].中华人民共和国国家发展和改革委员会，2009.

[3]中国建筑科学研究院，GB50009-2012，建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[4]中华人民共和国建设部.GB50017-2003，钢结构设计规范[S].北京：中国计划出版社,2003.

[5]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社，

图7 立柱稳定性计算表

2007.

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