基于Workbench的大型濃密機(jī)支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

羅慧君， 姚 心， 郭天宇， 周鳳娟

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 引言

濃密機(jī)是基于重力沉降作用的固液分離設(shè)備，具有濃縮洗滌、緩沖的作用，廣泛應(yīng)用于冶金、選礦等行業(yè)，它是尾礦處理、精礦濃縮等工序的重要設(shè)備。濃密機(jī)主要是由帶錐底的圓筒形淺槽、耙子和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等部分組成，圓筒形淺槽通常是由混凝土、金屬焊接板等結(jié)構(gòu)材料建成，而在有色冶金行業(yè)中濃密機(jī)越來(lái)越多的采用鋼襯膠底襯磚結(jié)構(gòu)。鋼襯膠底襯磚結(jié)構(gòu)濃密機(jī)長(zhǎng)期在強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)下工作易產(chǎn)生擾度，而擾度產(chǎn)生的間隙會(huì)使強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)腐蝕鋼池體；其次大型鋼池體濃密機(jī)由大量梁柱結(jié)構(gòu)組成，材料用量大，因此展開對(duì)大型鋼池體濃密機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析并優(yōu)化其梁柱配置和選型非常有必要。國(guó)外相關(guān)大型工程公司已具備成熟的分析設(shè)計(jì)手段，但國(guó)內(nèi)目前對(duì)鋼殼襯磚的濃密機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手段還不完善。

朱浩浩等[1]通過理論計(jì)算結(jié)合有限元分析對(duì)濃密機(jī)在地震載荷工況下進(jìn)行了數(shù)值模擬，根據(jù)各工況下濃密機(jī)應(yīng)力應(yīng)變和變形的分布情況得出濃密機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度關(guān)鍵控制點(diǎn)，并參照GB 500017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定對(duì)橋架進(jìn)行了強(qiáng)度校核，為濃密機(jī)橋架設(shè)計(jì)提供參考經(jīng)驗(yàn)；馬宇山等[2]分析塔式容器在地震和風(fēng)載荷作用下的應(yīng)力及變形，并對(duì)分析過程進(jìn)行了參數(shù)化處理，為塔設(shè)備的在受地震和風(fēng)載荷工況下模型的處理方法；田君麗等[3]將濃密機(jī)承受的多個(gè)載荷步進(jìn)行組合，通過ANSYS軟件計(jì)算出危險(xiǎn)組合的載荷工況下吸收塔應(yīng)力變形情況，發(fā)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域，并通過對(duì)最危險(xiǎn)組合的載荷工況進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定；江茂強(qiáng)等[4]對(duì)大型裙座支撐式球罐進(jìn)行了有限元分析，提供了一種大型壓力容器應(yīng)力分類和強(qiáng)度評(píng)定的方法。本文采用Workbench軟件對(duì)大型鋼池體濃密機(jī)支撐結(jié)構(gòu)在承受自身和礦漿負(fù)荷及環(huán)境風(fēng)與地震載荷工況下的應(yīng)力分布情況和變形進(jìn)行有限元分析，參照GB 50761—2012《石油化工鋼制設(shè)備抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)濃密機(jī)進(jìn)行四種工況的強(qiáng)度校核并為鋼池體濃密機(jī)梁柱選型與配置提供依據(jù)。

1 載荷工況分析及組合

根據(jù)濃密機(jī)的實(shí)際使用工況和設(shè)計(jì)要求，并基于GB 50761—2012《石油化工鋼制設(shè)備抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，本次分析只考慮四種載荷[5]：重力載荷、介質(zhì)載荷、風(fēng)載荷和地震載荷，并選取濃密機(jī)最危險(xiǎn)組合載荷工況[6]：

a.重力載荷、介質(zhì)載荷、25%風(fēng)載荷和地震載荷；

b.重力載荷、介質(zhì)載荷和地震載荷；

c.重力載荷、介質(zhì)載荷和風(fēng)載荷；

d.重力載荷和介質(zhì)載荷。

水平方向風(fēng)載荷參考公式為[1]：

Pw=1.2fiq0D0H0×10-6

式中fi—風(fēng)壓高度變化系數(shù)，取設(shè)備距地面高度；

q0—高度為10 m處基本風(fēng)壓值，N/m2；

H0—設(shè)備殼體總長(zhǎng)度，mm；

D0—設(shè)備外徑，mm。

表1 水平風(fēng)載荷

地震水平作用參考值為[1]：

Fe=aem0g

式中ae—地震影響系數(shù)；

m0—設(shè)備自重與介質(zhì)質(zhì)量；

G—重力加速度，取g=9.8 m/s2。

表2 水平地震標(biāo)準(zhǔn)值

2 濃密機(jī)的有限元模型

ANSYS Workbench大型通用有限元程序具有強(qiáng)大的項(xiàng)目流程管理功能，可將整個(gè)仿真流程緊密地結(jié)合起來(lái)?；跐饷軝C(jī)本體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性和工作時(shí)載荷的對(duì)稱性，可取濃密機(jī)二分之一模型進(jìn)行分析[7]，池體和梁柱均采用shell181單元，網(wǎng)格模型見圖1～圖3。濃密機(jī)主體材料為Q345，由于濃密機(jī)在工作中還承受其他部件如橡膠、膠泥、磚等重力載荷，故計(jì)算中將其簡(jiǎn)化成質(zhì)量點(diǎn)作用在底板上。

圖1 整體網(wǎng)格

圖4 底板等效應(yīng)力云圖

圖2 環(huán)向梁與立柱

圖3 徑向梁與槽體

3 分析結(jié)果

結(jié)合四種工況的分析結(jié)果，現(xiàn)針對(duì)較危險(xiǎn)的工況1和工況2的結(jié)果給出詳細(xì)的分析。

3.1 底板分析結(jié)果

通過圖4可以看出，兩種工況下濃密機(jī)底板最大應(yīng)力均發(fā)生在底板與槽體連接處，大小非常接近，均為99.3 MPa，說明此處為關(guān)鍵焊接點(diǎn)，這是由于槽體此處的焊接型鋼用于支撐槽蓋，而槽蓋自重正是通過型鋼間接作用于槽體與底板接連處。

通過圖5可以看出兩種工況下底板位移分布呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱分布規(guī)律，且底板偏外圈的平均變形大于偏內(nèi)圈的平均變形，其中最大等效位移發(fā)生在底板偏外圈環(huán)向梁與徑向梁之間的區(qū)域，為3.5 mm。根據(jù)上述分析的底板各區(qū)域的位移分布規(guī)律，可增加底板偏外圈環(huán)向梁配置或加大外圈環(huán)向梁選型和減小內(nèi)圈環(huán)向梁選型或減少內(nèi)圈環(huán)向梁配置，使在滿足濃密機(jī)強(qiáng)度的條件下底板的位移變形分布更加均勻。對(duì)比其他兩種工況的仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)四種工況的應(yīng)力應(yīng)變大小與分布結(jié)果都較為接近，分析認(rèn)為這是由于風(fēng)載與地震載荷對(duì)濃密機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較小，而介質(zhì)壓力對(duì)濃密機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較大。

圖5 底板等效位移云圖

3.2 底板梁柱分析結(jié)果

圖6～圖10結(jié)果表明工況1下底板梁柱最大等效應(yīng)力發(fā)生在內(nèi)圈立柱與環(huán)向梁連接處，最大等效應(yīng)力為160 MPa；中圈立柱最大等效應(yīng)力為76 MPa；外圈立柱最大等效應(yīng)力為104 MPa。工況2下底板梁柱最大應(yīng)力發(fā)生在內(nèi)圈立柱與環(huán)向梁連接處，為160 MPa；中圈立柱最大應(yīng)力為76 MPa；外圈立柱最大應(yīng)力為104 MPa。兩工況應(yīng)力結(jié)果基本相同，內(nèi)圈立柱與環(huán)向梁連接處的應(yīng)力的相對(duì)較大，都處于高應(yīng)力區(qū)，但都在材料許用應(yīng)力范圍內(nèi)，滿足強(qiáng)度要求；而圓管與外圈立柱連接處應(yīng)力相對(duì)較小，可適當(dāng)優(yōu)化圓管的選型，減少材料量。

圖6 內(nèi)圈立柱等效應(yīng)力云圖

圖8 外圈立柱等效應(yīng)力云圖

圖9 橫向圓管等效應(yīng)力云圖

圖10 橫向圓管等效應(yīng)力云圖

圖11所示為工況1下立柱支反力結(jié)果，由于四種工況立柱支反力結(jié)果基本相同，只給出工況1的分析結(jié)果。

圖11 工況1下立柱支反力結(jié)果

由圖11可以看出，外圈立柱支反力為8 880.4 kN，中圈立柱支反力為8 717 kN，內(nèi)圈立柱為4 210 kN，中間柱支反力為1 433.8 kN。中圈立柱和外圈立柱的支反力明顯大于內(nèi)圈立柱和中間柱的支反力，并呈現(xiàn)由內(nèi)而外，支反力逐漸增大的趨勢(shì)，說明外圈立柱對(duì)槽體的支撐作用要明顯大于內(nèi)圈立柱的支撐作用。

3.3 小結(jié)

綜上，可以分析得出兩種工況下底板和底板梁柱應(yīng)力和變形分布情況，結(jié)果表明池體和梁柱的應(yīng)力及撓度均在許用范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求；風(fēng)載和地震載荷對(duì)其強(qiáng)度影響因數(shù)較小，介質(zhì)壓力載荷對(duì)其強(qiáng)度影響因數(shù)最大；中圈立柱和外圈立柱的支反力明顯大于內(nèi)圈立柱和中間柱的支反力，并呈現(xiàn)由內(nèi)而外，支反力逐漸增大的趨勢(shì)。

由于篇幅原因，只給了兩種較危險(xiǎn)工況的分析結(jié)果，其它兩種工況結(jié)果如表3所示。由表3可以看出濃密機(jī)在四種工況下都滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)采用有限元方法對(duì)大型鋼池體濃密機(jī)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析并依據(jù)GB 50761—2012《石油化工鋼制設(shè)備抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)大型濃密機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度校核，結(jié)果表明濃密機(jī)設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求；

(2)鋼池體濃密機(jī)高應(yīng)力區(qū)發(fā)生在內(nèi)圈立柱與環(huán)向梁連接區(qū)域，對(duì)該處支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化應(yīng)為設(shè)計(jì)重點(diǎn)；

表3 四種工況下應(yīng)力與變形結(jié)果

(3)本文對(duì)鋼池體濃密機(jī)在地震和風(fēng)載荷等多種載荷工況作用下的設(shè)計(jì)計(jì)算提供了一種有效的處理方法；

(4)根據(jù)濃密機(jī)底板各區(qū)域的撓度和梁柱的應(yīng)力分布，為濃密機(jī)底板梁柱的選型和配置提供參考依據(jù)。