礦槽料倉受力有限元計(jì)算與分析

摘要：通過建立礦槽料倉模型，采用有限元分析方法，分析了礦槽料倉在滿載條件下的受力情況。結(jié)果表明：礦槽料倉在滿載條件下其底部和上沿的應(yīng)力較大；當(dāng)?shù)V槽料倉板厚度為5mm時(shí)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠滿足裝袋機(jī)在滿負(fù)荷工作時(shí)的材料強(qiáng)度要求。

關(guān)鍵詞：礦槽料倉 受力分析 有限元方法

礦槽料倉是礦山運(yùn)輸機(jī)械中常見的生產(chǎn)設(shè)備。在料倉的設(shè)計(jì)過程中，針對某一具體生產(chǎn)要求對料倉進(jìn)行受力分析計(jì)算一直以來都是非常復(fù)雜而又繁鎖的問題。由于生產(chǎn)環(huán)境和要求的不同，礦石、煤炭的礦槽料倉受力狀態(tài)復(fù)雜，力學(xué)模型不宜建立，料倉的設(shè)計(jì)方式以及其實(shí)際的受力情況也不相同，因此給料倉設(shè)計(jì)計(jì)算帶來一定困難[1-3]。近些年來，采用有限元分析的方法，在設(shè)計(jì)過程中對料倉進(jìn)行有限元分析，得到合理、直觀而又準(zhǔn)確的受力分析，已成為料倉設(shè)計(jì)一種新的設(shè)計(jì)方法[4]。本文采用有限元分析方法，針對某工程中的礦槽料倉進(jìn)行受力計(jì)算，對小型礦槽料倉的優(yōu)化設(shè)計(jì)和力學(xué)分析具有一定的指導(dǎo)意義。

1 物理模型

本文研究的礦槽料倉形狀為長方形棱錐體，上寬下窄，容積為4m3，料斗自身重量為578Kg，滿載條件下物料重量為4730Kg。該料倉結(jié)構(gòu)和受力情況如圖1。

2 計(jì)算方法

本文利用大型有限元結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS對礦槽料倉進(jìn)行有限元受力分析。本文首先選擇建模功能強(qiáng)大的SolidWorks軟件按照1：1比例建立三維立體模型，然后再通過SolidWorks和ANSYS的數(shù)據(jù)接口，將三維模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入ANSYS軟件。

三維模型導(dǎo)入ANSYS后，采用smartsizing（智能單元大?。﹦澐志W(wǎng)格[5]，設(shè)置smartsizing的值為4進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，得到料倉的有限元計(jì)算網(wǎng)格，如圖2所示。

單元類型選用Shell63薄板結(jié)構(gòu)，該單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有6個(gè)自由度：沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X、Y、Z方向的平動(dòng)和沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。應(yīng)力剛化和大變形能力已經(jīng)考慮在其中。厚度為5mm，鋼的彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.3，密度為7800Kg/m3。單位統(tǒng)一采用國際單位。礦槽料倉上沿四角的支撐處進(jìn)行自由度約束。施加非均勻分布壓力載荷，壓力載荷隨深度線性增加。壓力載荷：P=ρ物料gh，其中g(shù)為重力加速度，h為物料深度。計(jì)算采用壓力載荷為滿載情況。

3 結(jié)果分析

加載求解后，在通用后處理模塊中查看Von Mises等效應(yīng)力分布云圖，有限元受力分析結(jié)果如圖3和圖4所示，其中圖3表示礦槽料倉底部應(yīng)力分布，而圖4表示礦槽料倉上沿的應(yīng)力分布。由計(jì)算結(jié)果顯示有應(yīng)力集中，且在礦槽料倉在滿載條件下，其底部和上沿的應(yīng)力較大：礦槽料倉底部的局部最大應(yīng)力為110Mpa，礦槽料倉上沿的局部最大應(yīng)力為141Mpa。

由于實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性，為確保礦槽料倉的安全性，鋼板結(jié)構(gòu)必須具有足夠的強(qiáng)度。因此，為保證所設(shè)計(jì)的礦槽料倉結(jié)構(gòu)的安全性和合理性，利用有限元受力分析結(jié)果進(jìn)行校核材料強(qiáng)度。所設(shè)計(jì)礦槽料倉材料為Q235鋼板，其許用應(yīng)力為235Mpa。在滿載條件下，礦槽料倉的最大應(yīng)力為141MPa，低于其許用應(yīng)力235MPa。因此，礦槽料倉板厚為5mm的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完全滿足在裝袋機(jī)滿負(fù)荷工作時(shí)的材料強(qiáng)度要求，且富有一定余量。

4 結(jié)論

4.1 采用有限元計(jì)算礦槽料倉在滿載條件下其底部和上沿的應(yīng)力較大，當(dāng)?shù)V槽料倉板厚度為5 mm時(shí)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠滿足裝袋機(jī)在滿負(fù)荷工作時(shí)的材料強(qiáng)度要求。

4.2 有限元模擬的計(jì)算精度可靠，應(yīng)力分布數(shù)據(jù)更加直觀、全面，計(jì)算效率更高，便于在工程中推廣應(yīng)用。

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[3]周玉申，譚文雄，馬延軍.料倉的受力分析與計(jì)算[J].林產(chǎn)工業(yè)，2006，33（1）：22-25.

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[5]鄭曉雯，李錦彪，劉穎等.基于ANSYS Workbench的液壓支架立柱優(yōu)化分析[J].礦山機(jī)械，2011，39（7）：24-26.

作者簡介：蘭長貴（1963-），男，江西萍鄉(xiāng)人，本科學(xué)歷，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)、研究與理論分析工作。