鋼板筒倉的屈曲有限元分析

2013-06-10 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

結合鋼板筒倉受力的實際情況,以鋼板筒倉中的20 m直徑的利浦筒倉為研究對象,應用結構分析軟件Msc. Marc對其進行了屈曲研究,得出一些結論,為工程設計和理論研究提供參考依據。

作者: 胡志軍*袁新明來源: 萬方數據
關鍵字: 有限元利浦筒倉應力變形

利浦筒倉結構的受力性能、破壞機理、力學分析方法以及結構設計、制作和安裝等都比普通結構復雜得多。目前,國內外對其的研究,特別是國內對其的研究,還相對較弱,隨著鋼板筒倉結構在我國工農業生產中應用的越來越多,已經出現許多急待解決的問題。

   1某工程概況

某利浦筒倉直徑為20 m,倉壁高度為22 m,倉頂高度為4.5 m,進料口直徑為2m。在標高Om到標高16 m設有66排的[16b,[14b和[10的槽鋼;在標高16 m以上設有33排[8的槽鋼;在圓頂錐面設有66根[6. 3的槽鋼;圓頂進料口和圓筒頂部設有16 mm x 200mm的圈梁;當4 mm和4 mm鋼板咬邊時加強筋截面為30 mm *20mm;當3 mm和3mm鋼板咬邊時加強筋截面為30 mm * 16 mm;當2mm和2 mm鋼板咬邊時加強筋截面為30 mm *10mm ;鋼板咬邊高度為376 mm。鋼板彈性和抗剪模量分別為206 kN/時和79 kN/mm2,鋼板抗壓、抗拉、抗剪強度分別為 215 N/mm2,215 N/mm2,125 N/mm2 ,鋼板泊松比和密度分別為0.25和7850kg/m3,谷物重度和內摩擦角分別為7.5 kN/m3和25°,谷物與鋼板壁摩擦系數0.3。[σ]=215 N/mm2,[τ]=125 N/mm2 ,ρ=215 N/mm2。

   2模型結構

利浦式鋼板筒倉是由立柱和鋼板組成,鋼板與鋼板由咬邊連接而成。在結構內力分析時,將咬邊看成加強筋,把板視為被支撐在立柱和加強筋上的板殼。根據此結構特點,利浦筒倉倉壁的單元采用四節點的曲面單元,板在垂直方向取0.4 m(實際咬邊間距為0.376 m),寬度取立柱之間的距離。倉頂板沿徑向采用15等分劃分,沿環向采用66等分的單元劃分形式。將立柱沿高度分成0. 4 m高的兩節點單元的短梁;板的咬邊即加強筋也視為圈梁,圈梁長按立柱之間的距離計算;筒倉進料口圈梁和倉壁頂圈梁為:16 mm*200 mm,單元劃分以立柱交點為劃分點。根據統計,模型單元數和節點數分別為:12045個單元和4686節點。具體如圖1-2所示。

鋼板筒倉的屈曲有限元分析solidworks simulation學習資料圖片1

   3屈曲分析

在結構的屈曲分析中,常用分叉(Bifurcation)來描述。分叉點代表了結構兩個平衡路徑的交點,表征了屈曲失穩的萌生位置,如圖3所示。

鋼板筒倉的屈曲有限元分析solidworks simulation學習資料圖片2

實際結構的另外一種失穩形式表現為從一個平衡位置快速通過,跳躍到另外一個平衡位置,也稱為后屈曲,如圖4所示。除此以外,結構在局部高壓作用下的起,和表面重疊也是另一種局部失穩形式。

鋼板筒倉的屈曲有限元分析solidworks simulation技術圖片3

本模型中的屈曲失穩根據其受力方向的不同而分別兼有這兩種屈曲類型。

根據本模型特點,Marc軟件對屈曲失穩問題的分析采用了通過特征值分析計算屈曲荷載的線性屈曲分析方法進行分析。線性屈曲分析是通過提取使線性系統剛度矩陣奇異的特征值來獲得結構的臨界失穩荷載及失穩模態。

在Marc軟件中包括了兩種提取線性屈曲特征值的數值方法:即反迭代法(POWER-SWEER)和Lanczos向量法。反迭代法(POWER-SWEER)即是直接迭代求解屈曲特征值方程的特征根和特征向量。Lanczos向量法即是用Lanczo,向量減少特征值方程系數矩陣的非零元素個數。可以提取雙屈曲模態,快速分析多階屈曲特征根。

因為線性屈曲分析忽略各種非線性因素和初始缺陷對屈曲失穩荷載的影響,對屈曲問題大大簡化,從而提高了屈曲失穩分析的計算效率。在本模型屈曲分析中,需要獲得描述結構失穩時各處相對的位移變化大小即失穩模態,無需得出位移的絕對值,所以,對線性屈曲分析的結果,已能可以滿足本模型的要求。

   4屈曲分析結果

屈曲分析的主要任務是確定結構開始變得不穩定時的臨界荷載和屈曲模態形狀。在屈曲模態形狀方面,根據圖5可知,由于利浦筒倉屬于受軸向摩擦荷載和徑向水平荷載的圓柱薄殼,其失穩的特點是在倉壁的局部范圍內突然發生隆起,即筒倉屈曲在倉壁高度方向可能產生一個波紋,近似于正弦曲線,而且在倉壁圓周方向則可能產生不同的波紋數,然后,隨著進一步發展,將引起筒身傾斜、倒塌,故其失穩形式為縱向失穩。

鋼板筒倉的屈曲有限元分析solidworks simulation技術圖片4

利浦筒倉失穩最容易發生在卸料過程中,在這過程中儲料摩擦力在倉壁引起的豎向壓力會引起鋼板筒倉結構的破壞又是最常見的形式-即圓柱殼在軸壓下的屈曲。

在臨界荷載計算方面,考慮各種缺陷不利影響和內壓的有利因素,倉壁在豎向壓力和水平壓力共同作用下的臨界應力公式為

鋼板筒倉的屈曲有限元分析solidworks simulation技術圖片5

根據本模型實際受力情況可知(取最不利情況):沿軸向應力略大于純理論計算的屈曲應力值。根據M二有限元對本模型的屈曲分析結果表明(圖6):本模型的屈曲應力

大于純理論簡化計算的屈曲應力值和本模型實際受到的應力值。說明本模型在此受力條件下仍處于未屈曲狀態,這與實際結構的狀態相吻合,同時也說明了修正后的純理論簡化計算降低了實際結構的屈曲能力。

鋼板筒倉的屈曲有限元分析solidworks simulation技術圖片7

5結論與建議

從屈曲分析結果看,因結構的特殊性,其屈曲形式出現沿高度方向呈正弦特征的變形曲線,同時沿倉壁的四周有不同的波紋數。出現這種情況的根本原因是儲料的動態流動引起的。雖然目前在工程設計中還很少應用屈曲分析來控制筒倉的設計要素,但是,為了防止筒倉屈曲失穩,產生屈曲破壞,仍有必要建議適當加強立柱的沿徑向的抗彎剛度或倉壁的厚度。

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