搜索钢板筒仓的屈曲有限元分析
2013-06-10 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线
结合钢板筒仓受力的实际情况,以钢板筒仓中的20 m直径的利浦筒仓为研究对象,应用结构分析软件Msc. Marc对其进行了屈曲研究,得出一些结论,为工程设计和理论研究提供参考依据。
作者: 胡志军*袁新明 来源: 万方数据
关键字: 有限元 利浦筒仓 应力 变形
利浦筒仓结构的受力性能、破坏机理、力学分析方法以及结构设计、制作和安装等都比普通结构复杂得多。目前,国内外对其的研究,特别是国内对其的研究,还相对较弱,随着钢板筒仓结构在我国工农业生产中应用的越来越多,已经出现许多急待解决的问题。
1某工程概况
某利浦筒仓直径为20 m,仓壁高度为22 m,仓顶高度为4.5 m,进料口直径为2m。在标高Om到标高16 m设有66排的[16b,[14b和[10的槽钢;在标高16 m以上设有33排[8的槽钢;在圆顶锥面设有66根[6. 3的槽钢;圆顶进料口和圆筒顶部设有16 mm x 200mm的圈梁;当4 mm和4 mm钢板咬边时加强筋截面为30 mm *20mm;当3 mm和3mm钢板咬边时加强筋截面为30 mm * 16 mm;当2mm和2 mm钢板咬边时加强筋截面为30 mm *10mm ;钢板咬边高度为376 mm。钢板弹性和抗剪模量分别为206 kN/时和79 kN/mm2,钢板抗压、抗拉、抗剪强度分别为 215 N/mm2,215 N/mm2,125 N/mm2 ,钢板泊松比和密度分别为0.25和7850kg/m3,谷物重度和内摩擦角分别为7.5 kN/m3和25°,谷物与钢板壁摩擦系数0.3。[σ]=215 N/mm2,[τ]=125 N/mm2 ,ρ=215 N/mm2。
2模型结构
利浦式钢板筒仓是由立柱和钢板组成,钢板与钢板由咬边连接而成。在结构内力分析时,将咬边看成加强筋,把板视为被支撑在立柱和加强筋上的板壳。根据此结构特点,利浦筒仓仓壁的单元采用四节点的曲面单元,板在垂直方向取0.4 m(实际咬边间距为0.376 m),宽度取立柱之间的距离。仓顶板沿径向采用15等分划分,沿环向采用66等分的单元划分形式。将立柱沿高度分成0. 4 m高的两节点单元的短梁;板的咬边即加强筋也视为圈梁,圈梁长按立柱之间的距离计算;筒仓进料口圈梁和仓壁顶圈梁为:16 mm*200 mm,单元划分以立柱交点为划分点。根据统计,模型单元数和节点数分别为:12045个单元和4686节点。具体如图1-2所示。
3屈曲分析
在结构的屈曲分析中,常用分叉(Bifurcation)来描述。分叉点代表了结构两个平衡路径的交点,表征了屈曲失稳的萌生位置,如图3所示。
实际结构的另外一种失稳形式表现为从一个平衡位置快速通过,跳跃到另外一个平衡位置,也称为后屈曲,如图4所示。除此以外,结构在局部高压作用下的起,和表面重叠也是另一种局部失稳形式。
本模型中的屈曲失稳根据其受力方向的不同而分别兼有这两种屈曲类型。
根据本模型特点,Marc软件对屈曲失稳问题的分析采用了通过特征值分析计算屈曲荷载的线性屈曲分析方法进行分析。线性屈曲分析是通过提取使线性系统刚度矩阵奇异的特征值来获得结构的临界失稳荷载及失稳模态。
在Marc软件中包括了两种提取线性屈曲特征值的数值方法: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,向量减少特征值方程系数矩阵的非零元素个数。可以提取双屈曲模态,快速分析多阶屈曲特征根。
因为线性屈曲分析忽略各种非线性因素和初始缺陷对屈曲失稳荷载的影响,对屈曲问题大大简化,从而提高了屈曲失稳分析的计算效率。在本模型屈曲分析中,需要获得描述结构失稳时各处相对的位移变化大小即失稳模态,无需得出位移的绝对值,所以,对线性屈曲分析的结果,已能可以满足本模型的要求。
4屈曲分析结果
屈曲分析的主要任务是确定结构开始变得不稳定时的临界荷载和屈曲模态形状。在屈曲模态形状方面,根据图5可知,由于利浦筒仓属于受轴向摩擦荷载和径向水平荷载的圆柱薄壳,其失稳的特点是在仓壁的局部范围内突然发生隆起,即筒仓屈曲在仓壁高度方向可能产生一个波纹,近似于正弦曲线,而且在仓壁圆周方向则可能产生不同的波纹数,然后,随着进一步发展,将引起筒身倾斜、倒塌,故其失稳形式为纵向失稳。
利浦筒仓失稳最容易发生在卸料过程中,在这过程中储料摩擦力在仓壁引起的竖向压力会引起钢板筒仓结构的破坏又是最常见的形式-即圆柱壳在轴压下的屈曲。
在临界荷载计算方面,考虑各种缺陷不利影响和内压的有利因素,仓壁在竖向压力和水平压力共同作用下的临界应力公式为
根据本模型实际受力情况可知(取最不利情况):沿轴向应力略大于纯理论计算的屈曲应力值。根据M二有限元对本模型的屈曲分析结果表明(图6):本模型的屈曲应力
大于纯理论简化计算的屈曲应力值和本模型实际受到的应力值。说明本模型在此受力条件下仍处于未屈曲状态,这与实际结构的状态相吻合,同时也说明了修正后的纯理论简化计算降低了实际结构的屈曲能力。
5结论与建议
从屈曲分析结果看,因结构的特殊性,其屈曲形式出现沿高度方向呈正弦特征的变形曲线,同时沿仓壁的四周有不同的波纹数。出现这种情况的根本原因是储料的动态流动引起的。虽然目前在工程设计中还很少应用屈曲分析来控制筒仓的设计要素,但是,为了防止筒仓屈曲失稳,产生屈曲破坏,仍有必要建议适当加强立柱的沿径向的抗弯刚度或仓壁的厚度。
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