料仓静力学有限元分析及结构优化 .pdfVIP

料仓静力学有限元分析及结构优化

摘要：根据料仓在储存物料的实际工作情况，利用ANSYS软件主要对料仓

的三种加强筋不同布局（等距加强筋、加宽加强筋，同时等间距分布和加密加强

筋，同时等距分布）进行比较分析。其结果表明：加密加强筋，同时等距分布的

结果最佳。

关键词：料仓；有限元；ANSYS；优化设计

1料仓的建模

文章选取的筒仓工程实例是江苏省某饲料机械企业某深仓，该仓为单列仓，

由一大一小两个仓并排组成，大仓短边1500mm，长边1800mm；小仓短边1200

mm，长边1500mm。仓壁的总高度为8000mm，上部3500mm的仓壁厚为2.5

mm，下部4500mm的仓壁为3mm。整个仓采用A3钢铆接而成，弹性模量

E=2.1e11Pa，泊松比为0.3。仓壁有加强筋设计。储料为小麦，重力密度为8

kN/m3，大仓的水力半径为405mm，小仓的水力半径为333mm。贮料与仓壁的

侧压力系数为0.4，贮料的内摩擦角为25°，修正系数为0.3。

图1为用三维造型软件SolidWorks建的模型，该模型由多个曲面组成，没

有厚度，以便在有限元分析软件ANSYS中指派壳单元进行分析研究。

2有限元分析

ANSYS作为最常用的有限元分析软件之一，在结构领域有强大的计算功能，

一般包括静力分析和动力分析，静力分析包括线性和非线性两大部分。文章讨

论的是深仓不考虑温度应力下的静力分析问题。

2.1工况

一般说来，也就是在理想状态下，假设深仓始终处于建造时的温度。在该温

度下筒仓不会有任何温度应力，只承受贮料的各项影响。假设筒仓建造时的平均

温度为15℃，即ANSYS参考温度为15℃。本章的模型只考虑了贮料对筒仓的

各项影响，并未考虑风、地震、基础沉降等外界因素对筒仓产生的作用。由前文

可知文章筒仓建模以及有限元分析所需的基本数据，在求解前利用筒规范中所提

供的公式对各种静力荷载进行先期处理，采用最接近实际情况的加载方式，然后

求解得到合理的结果。考虑极限工况，将大小仓满载，算出仓壁的位移和应力。

2.2位移分析

由图2可以看到，在静力状态下，仓壁位移最大的区域在仓壁下部第二块加

强筋和第三块加强筋处，仓壁在这个区域内最容易出现裂缝。

2.3应力分析

ANSYS结果后处理中，同样可以显示很多不同的应力值。ANSYS后处理节

点应力中除了x，y，z方向应力和第一、二、三主应力al、a2、a3之外；还可以

显示stressintensity（应力强度），它是由第三强度理论得到的当量应力，其值为

第一主应力减去第三主应力；另外，vonmises应力是应用的最广泛的数值，

vonMises是一种屈服准则，在Ansys后处理中，“VonMisesStress”习惯称为MISES

等效应力，它遵循材料力学第四强度理论（形状改变比能理论）。第三强度理论

认为最大剪应力是引起流动破坏的主要原因，如低碳钢拉伸时在与轴线成45°的

截面上发生最大剪应力，材料沿着这个平面发生滑移，出现滑移线。这一理论比

较好得解释了塑性材料出现塑性变形的现象。形式简单，但结果偏于安全。第四

强度理论认为形状改变比能是引起材料流动破坏的主要原因，其结果更符合实

际。从图3中可以看出，仓壁上各处应力值大部分在0~30MPa之间。

3料仓的优化设计方案

为了尽可能得不改变原方案的工艺过程，在优化的时候，主要考虑改变加强

筋的形状和布置方面。

优化方案一：等距加强筋。将加强筋等间距布置，同时保证沿着长度方向上

加强筋的宽度和未加强部分的宽度距离相等，优化方案一的综合位移云图及等效

应力云图分别如图4、图5所示。

优化方案二：加宽加强筋，同时等间距分布。优化方案二的综合位移云图及

等效应力云图分别如图6、图7所示。

优化方案三：加密加强筋，同时等距分布。优化方案三的综合位移云图及等

效应力云图分别如图8、图9所示。

优化方案四：减厚0.5mm壁厚，加密等距布置加强筋，优化方案四的综合

位移云图及等效应力云图分别