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回转窑基础非线性有限元分析

【摘要】本文用有限元软件ANSYS建立回转窑、基础、地基有限元模型，然

后进行回转窑基础的拟静力分析。假定窑运转产生的动力作用如同静力，根据时

程分析结果和有关参考资料确定动力影响系数，将重力荷载乘以动力影响系数加

载到回转窑模型上，进行有限元分析。考虑回转窑正常运转情况、各窑体地基沉

降和托轮脱空等情况，分别对这三种情况进行静力有限元分析，得出三种情况下

基础的应力分布情况。

关键词:回转窑基础；拟静力分析；非线性有限元分析

1．概述

随着水泥产业的发展，对设备基础振动的要求将更为严格。回转窑基础的动

力分析不仅属于结构动力学范畴，同时涉及转子动力学、机械振动等方面问题。

如何进行回转窑基础的动力分析，什么样的回转窑基础动力特性较好并有利于机

组的长期安全运行，这些一直是人们十分关注的课题。针对本项目回转窑基础动

力的研究来说，机器转速较低，荷载较大并且荷载波形复杂，尤其是当回转窑在

运转过程中，由于荷载不均，温度变化、基础变形（包括地基）等原因，窑体会

发生变形，使托轮受力不均，甚至有时会脱空；所以窑基础的计算比一般基础的

计算复杂。本文采用拟静力法分析，直观的反映出基础的应力以及经过后处理后

的弯矩，适合结构实际工程设计应用。

2．回转窑基础概况

本文研究的是已经投入生产的湖北华新水泥厂阳新分厂水泥回转窑设备基

础。窑体及基础的实际尺寸见图1，图2(湖北华新水泥厂阳新分厂)。

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图1回转窑实际尺寸平面图

图2回转窑实际尺寸立面图

3．拟静力法概念

拟静力法是一种用静力学方法近似解决动力学问题的简易方法，它发展较早，

迄今仍然被广泛使用。其基本思想是在静力计算的基础上，将地震作用简化为一

个惯性力系附加在研究对象上，其核心是设计地震加速度的确定问题。

该方法能在有限程度上反映荷载的动力特性，但不能反映各种材料自身的动

力特性以及结构物之间的动力响应，更不能反映结构物之间的动力耦合关系。

但是，拟静力法的优点也很突出，它物理概念清晰，与全面考虑结构物动力

相互作用的分析方法相比，计算方法较为简单，计算工作量很小、参数易于确定，

并积累了丰富的使用经验，易于设计工程师所接受。但是，应该严格限定拟静力

法的使用范围：它不能用于地震时土体刚度有明显降低或者产生液化的场合，而

且只适用于设计加速度较小、动力相互作用不甚突出的结构抗震设计。为了克服

拟静力法的上述缺陷，已经发展了不少考虑土体-结构物动力相互作用的分析方

法，例如子结构法、有限元法、杂交法等。本文所采用的有限元软件ANSYS便是

运用的有限元法。

4．回转窑基础的拟静力分析

由于时程分析耗时很长，大概需要十个多小时；占用大量机器内存和硬盘空

间，约十多个GB,不利于实际工程设计。经过多次计算对比，并且查阅动力基础

相关规范，采用拟静力法，取相应的动力影响系数为1.5，经核算，得出的结果

比时程分析结果略大，是一种偏安全的设计方法。

其中，分窑正常运转状态、窑支座允许位移、托轮脱空三种工况来分析。

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基础支反力

底面平均应力

底面应力

基底弯距

上部结构弯距

下面以回转窑基础的应力取三支基础的竖向应力，在ANSYS中表现为Y方向

的应力。其反应大小用应力云图表示如下。

（1）窑正常运转状态下

图33#基础底面应力分布图

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图42#基础应力分布图

图51#基础应力分布图

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（2）窑体基础沉降

图63#基础应力分布图

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图72#基础应力分布图

图81#基础应力分布图

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