異型鋼煤斗荷載施加與結(jié)構(gòu)有限元分析.doc

異型鋼煤斗荷載施加與結(jié)構(gòu)有限元分析鐘金周作者簡(jiǎn)介：鐘金周（1977-），男，工程師，主要從事電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 方偉定 余智恩 童建國（浙江省電力設(shè)計(jì)院 杭州 310012）摘要：某電廠鋼煤斗需采用煤斗梁作為本體一部分，在鋼梁內(nèi)側(cè)增設(shè)過渡板，采用ANSYS的APDL解決局部陰角部分的荷載施加難題，通過調(diào)整加勁肋，得到合理的結(jié)構(gòu)布置。關(guān)鍵字：異型鋼煤斗；有限元分析；荷載施加中國分類號(hào)： TU398 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：Load Application of Special-Shaped Steel Coal Bunker and Analysis of the StructureZHONG JINZHOU FANG WEIDING YU ZHIEN TONG JIANGUO（Zhejiang Electric Power Design Institute, Hangzhou 310012, China）Abstract: In a steam turbine building, the support beams are applied as a part of the steel coal bunker. The liner plate is added to seal the H type beam. The APDL can solve the problem of load application in the inside corner in the area. Finally the reasonable and reliable results are obtained through parameter optimization. Key word: Special-Shaped Steel Coal Bunker；Finite Element Analysis；Load Application煤斗是火力發(fā)電廠主廠房一個(gè)重要的構(gòu)筑物，根據(jù)廠房容積率的優(yōu)化要求和工藝設(shè)備布置限制等原因，煤斗的結(jié)構(gòu)形式也出現(xiàn)了由一般的圓形、方形等向各種組合形式的轉(zhuǎn)變，如上方下圓、雙漏斗等形式?，F(xiàn)有工程因設(shè)備給煤機(jī)布置要求，出煤口應(yīng)為矩形，且出煤口中心距僅3.2m。又因控制廠房容積率，煤斗層與皮帶層間距較小，如考慮矩形雙漏斗型鋼煤斗支撐在煤斗層鋼梁上，則煤斗容積不能滿足工藝要求。根據(jù)工程實(shí)際情況，煤斗支撐梁范圍內(nèi)的空間不能浪費(fèi)，只有采用煤斗支撐梁作為煤斗的一部分，充分利用此處的空間，才能滿足工藝煤斗容積要求，于是形成了此異型雙漏斗型鋼煤斗。結(jié)構(gòu)方案見圖1平面布置圖及圖2立面布置圖。 圖 1 煤斗平面布置圖 圖 2 煤斗立面布置圖 圖 3煤斗荷載示意圖為了防止H型鋼梁翼緣掛煤，保證落煤順暢，需對(duì)煤斗支撐H型鋼梁包邊。即在作為煤斗本體一部分的H型鋼梁內(nèi)側(cè)襯10mm厚鋼板，采用三角板與煤斗壁過渡，節(jié)點(diǎn)如圖4。1 荷載施加國家及有關(guān)部門的規(guī)程規(guī)范除火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定對(duì)鋼煤斗的設(shè)計(jì)有簡(jiǎn)單的幾條設(shè)計(jì)條文說明，沒有專門的煤斗設(shè)計(jì)規(guī)范。可供設(shè)計(jì)參考的有鋼筋混凝土筒倉設(shè)計(jì)規(guī)范、貯倉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)和糧食鋼板筒倉設(shè)計(jì)規(guī)范等。為保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理安全，有必要對(duì)異型鋼煤斗進(jìn)行有限元計(jì)算分析。通用有限元程序ANSYS能夠完成此項(xiàng)任務(wù)。1.1 有限元模型單元選取鋼煤斗的設(shè)計(jì)主要有煤斗壁和加勁肋兩部分。在有限元計(jì)算中主要有3種模擬方法：(1)實(shí)體模型，用實(shí)體solid45單元模擬。(2)板殼建模，用板殼單元shell63模擬。(3)板殼單元shell63模擬煤斗壁，用beam188單元模擬環(huán)梁及加勁肋。用beam188單元模擬環(huán)梁及加勁肋，模型的截面特性等幾何特征可以通過修改實(shí)常數(shù)來改變，因此在方案比選、設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)效率高。本次計(jì)算中，根據(jù)異型煤斗實(shí)際情況，煤斗壁、支座處H型鋼梁采用shell63單元模擬，加勁肋采用beam188單元模擬。1.2 荷載hn/dn6.94/6.81.021.5，根據(jù)鋼筋混凝土筒倉設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，為淺倉。筒倉設(shè)計(jì)規(guī)范中煤斗的主要荷載可見圖3煤斗荷載示意圖。一般煤斗壁轉(zhuǎn)折處均為陽角，對(duì)圖4中所示陰角處斜板加載不適用，否則切向荷載將加反。根據(jù)貯倉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)，通過分析貯倉荷載原始公式推導(dǎo)，淺倉錐斗壁部分的荷載主要由法向壓力和切向壓力兩部分荷載組成，見圖5，即漏斗壁任意深度處：?jiǎn)挝幻娣e上的豎向壓力： Pv=S單位面積上的水平壓力：Ph=kS ，k=tg2(45。-/2)由豎向壓力和水平壓力向法向和切向分解，可得到漏斗壁法向壓力和切向壓力，即漏斗壁切向壓力：Pt= Pv(1-k)sincos漏斗壁單位面積上的法向壓力：Pn=Pv, =cos2+ksin2其中，為煤貯料重力密度，為煤貯料的內(nèi)摩擦角。圖 4 H梁襯板示意 圖 5 漏斗壁壓力示意圖對(duì)于圖4中陰角斜面板處的此類不規(guī)則斗壁荷載，為避免此處切向荷載施加困難問題，根據(jù)以上推導(dǎo)，可以直接施加貯料荷載豎向壓力Pv和水平壓力Ph兩部分荷載。在有限元程序ANSYS中，采用APDL參數(shù)化語言施加Pv和Ph可以很容易實(shí)現(xiàn)。首先選擇將要加載的單元，用*GET命令讀取單元中心坐標(biāo)和單元在三個(gè)坐標(biāo)軸方向的投影面積，根據(jù)讀取的單元中心坐標(biāo)，可以求得S，相應(yīng)可以求得此中心坐標(biāo)處的單位面積豎向壓力Pv和單位面積水平壓力Ph。Pv乘以單元豎向投影面積，可得單元豎向總壓力；Ph乘以水平X向投影面積，可求得單元水平X向總壓力；Ph乘以水平Y(jié)向投影面積，可求得單元水平Y(jié)向總壓力。把三個(gè)方向的單元總壓力分別除以單元節(jié)點(diǎn)總數(shù)，可得單元上每個(gè)節(jié)點(diǎn)的三向節(jié)點(diǎn)荷載。把荷載施加方式改為累加，通過迭代，可以把每個(gè)單元的單元荷載全部轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)荷載。其中關(guān)于單元荷載的方向，可以在程序中設(shè)定，即把需要加載的煤斗壁面的法向正方向都設(shè)置成朝煤斗外側(cè)，相應(yīng)煤斗壁殼單元的法向向量也均朝外，則殼單元法向向量的三個(gè)方向余弦的正負(fù)即代表著三個(gè)壓力荷載的正負(fù)。為了驗(yàn)證荷載施加是否正確，對(duì)以往常規(guī)煤斗和方變圓煤斗等根據(jù)此APDL參數(shù)化語言施加荷載重新計(jì)算，發(fā)現(xiàn)與原來按切向荷載施加所得結(jié)果相符。2 煤斗結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析根據(jù)土規(guī)要求，煤斗壁厚取值應(yīng)較計(jì)算值加2mm，并不得小于10mm。通過以往煤斗計(jì)算結(jié)果及本工程試算分析，壁厚計(jì)算一般取8mm能夠滿足要求。煤斗計(jì)算最終主要是調(diào)整優(yōu)化加勁肋，使結(jié)構(gòu)變形滿足要求。2.1 加勁肋優(yōu)化分析根據(jù)貯倉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)鋼倉章節(jié)中的形式與布置要求：當(dāng)矩形邊長an或bn=89m時(shí)，且有兩個(gè)卸料口的鋼漏斗，宜采用型鋼加勁肋，并將前后兩面的垂直加勁肋連接起來。為了便于比較，試算主要考慮加勁肋間距和大小。對(duì)于漏斗部分，水平加勁肋方案一采用角鋼L125X12，豎向間距700mm；方案二采用HW2525-0914，豎向間距1400mm；方案三采用TM2525-0914，豎向間距1400mm，方案四根據(jù)方案二取消豎向扁鐵-12X120加勁肋。結(jié)果比較詳見表1。表1 各方案分析結(jié)果比較項(xiàng)次方案一方案二方案三方案四土規(guī)限值板的最大位移（mm）45.418.119.5101/板的最大撓度（mm）9.54.24.681.6/加勁肋的最大撓度（mm）45.413.914.919.4/最大應(yīng)力（應(yīng)力集中處）（MPa）331214218526/板的跨度/板的撓度(最小值)74 333 304 17 250加勁肋的跨度/加勁肋的撓度(最小值)133 450 405 364 150從表中可以看出方案一用角鋼和豎向扁鐵加勁，間距較密，整體變形較大，漏斗壁和加勁肋的撓度均不能滿足規(guī)范要求；方案二滿足要求；方案三采用T型鋼，撓度和局部應(yīng)力集中均較方案二大些，特別是在T型鋼與煤斗連接處，從應(yīng)力集中范圍來看，滿足要求；方案四在方案二的基礎(chǔ)上，取消了豎向扁鐵加勁，漏斗壁的雙向板形式變成了典型的單向板，使得整個(gè)漏斗壁斜板剛度不協(xié)調(diào)，變形增大很多，從而引起局部應(yīng)力集中較大。方案二、三對(duì)漏斗部分通過設(shè)置水平型鋼加勁和豎向設(shè)置扁鋼加勁配合使用，有效的減小煤斗壁的變形，使整個(gè)漏斗壁斜板變形協(xié)調(diào)，且滿足規(guī)范要求，方案三具體位移云圖可見圖6。2.2 支座反力方案三中，程序計(jì)算的四個(gè)支座反力合力為5387kN。實(shí)際煤斗結(jié)構(gòu)的容積為572m3，堆積密度為0.82t/m3，煤斗結(jié)構(gòu)自重（包括鋼梁）為783kN。實(shí)際計(jì)算結(jié)果為5720.829.81+783=4601+783=5384kN，誤差為0.05，按此法施加荷載，靜力平衡，認(rèn)為荷載施加可靠。2.3 應(yīng)力分析圖7為方案三煤斗壁mises應(yīng)力云圖。圖中可以看出，加勁肋在漏斗壁斜板與斜板交界處的應(yīng)力最大，為218MPa，詳細(xì)可見圖8漏斗加勁肋在斜板交界處應(yīng)力等值線。另外漏斗壁斜板與斜板交界處；加勁肋與斜板連接處；矩形倉壁、煤斗梁和錐斗之間的銜接局部區(qū)域等，都存在不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象。其余絕大部分應(yīng)力一般小于120MPa。由于鋼材具有良好的塑性變形能力，可以引起應(yīng)力重分布，從而緩解應(yīng)力集中，所以這種較小區(qū)域上的應(yīng)力集中，不會(huì)對(duì)煤斗的整個(gè)結(jié)構(gòu)安全造成影響。在局部應(yīng)力集中區(qū)域，也應(yīng)采取必要的構(gòu)造措施，如控制焊縫質(zhì)量，增加加勁肋等。從方案二與方案三局部應(yīng)力比較來看，T型鋼加勁肋與斜板連接處的應(yīng)力集中明顯，對(duì)T型鋼加勁肋，有必要在T型鋼與漏斗壁板之間增加一定的加勁節(jié)點(diǎn)板。在有限元建模計(jì)算時(shí)，也可能由于建模而導(dǎo)致的應(yīng)力奇異有：?jiǎn)吸c(diǎn)加載或單點(diǎn)約束；凹角；模型之間采用單點(diǎn)連接；單點(diǎn)耦合或接觸條件等。因此如果局部應(yīng)力集中很大時(shí)，需要在局部區(qū)域加密網(wǎng)格。當(dāng)應(yīng)力集中很嚴(yán)重時(shí)，需采用實(shí)體建模，模擬實(shí)際焊縫和結(jié)構(gòu)的連接，必要時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性分析。圖 6 煤斗位移云圖 圖 7 煤斗壁mises應(yīng)力云圖 圖 8漏斗加勁肋在斜板交界處應(yīng)力等值線圖3 結(jié)語（1）通過分析貯倉荷載原始公式推導(dǎo)，可采用APDL參數(shù)化語言施加煤斗壁貯料荷載Pv和Ph，無需將其分解為切向和法向荷載再施加，避免了施加復(fù)雜的切向荷載，可節(jié)省計(jì)算轉(zhuǎn)化過程，且對(duì)任何復(fù)雜曲面均適用。通過對(duì)單元法向向量的控制，也避免了施加切向荷載可能導(dǎo)致的方向相反問題。可為其他類似荷載施加提供參考。（2）在參數(shù)優(yōu)化過程中，最多修改的是加勁肋的間距和大小，煤斗薄壁平板只能通過與加勁肋組合后才能承擔(dān)荷載作用下的彎曲變形。對(duì)漏斗部分，通過設(shè)置水平型鋼加勁和豎向設(shè)置扁鋼加勁配合使用，可以有效的減小煤斗壁的變形。此類煤斗主要以調(diào)整變形為主，壁厚按土規(guī)最小取值基本能滿足要求。參考文獻(xiàn)：1 DL50022-93 火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定S北京：水利電力出版社，20012 GB50077-2003 鋼筋混凝土筒倉設(shè)計(jì)規(guī)范S中國計(jì)劃出版社，20043