電廠鋼煤斗的MIDAS有限元分析

趙 輝，馬 鋒，李啟宏

（湖北省電力勘測設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430040）

0 引言

在火力發(fā)電廠主廠房煤倉間設(shè)有鋼煤斗，用來儲存、轉(zhuǎn)運經(jīng)輸煤棧橋運至主廠房的煤，由于鋼材材質(zhì)均勻、自重輕、強度高、變形能力強、有良好的塑性和沖擊韌性，而且施工方便、速度快且經(jīng)濟性較好［1］，近年來鋼煤斗已在許多燃煤火力發(fā)電廠中被廣泛采用。對電廠鋼煤斗在設(shè)計荷載下的力學(xué)性能進行分析，得到鋼煤斗各個部位的應(yīng)力和變形［2］，找到應(yīng)力集中和應(yīng)力變形較大的部位，從而提出相應(yīng)的改進措施，為以后的設(shè)計工作提供借鑒。

1 工程概況

某電廠采用的鋼煤斗上口尺寸8.0 m×7.5 m，下口尺寸2.0 m×0.8 m，該煤斗為單軸對稱結(jié)構(gòu)，煤斗結(jié)構(gòu)如圖1所示。煤斗直段2.0 m，斜段11.9 m，直段較小，采用支撐式結(jié)構(gòu)布置困難，鋼煤斗采用懸掛式結(jié)構(gòu)，煤斗直段支撐于皮帶層的煤斗梁牛腿上。該煤斗下接落煤管道，上部與皮帶層樓面板封閉連接。

圖1 煤斗視圖

2 鋼煤斗的有限元分析

2.1 有限元模型的建立

鋼煤斗在設(shè)計中參照《貯倉結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》，采用全手算進行設(shè)計，煤斗斜壁設(shè)計厚度14mm，橫向加勁肋選取3種不同大小截面，熱軋角鋼L200×125×16、L180×110×16、L160×100×14，縱向加勁肋為 160 mm×10 mm，煤斗材料選用Q235鋼材。根據(jù)鋼煤斗幾何尺寸，利用MIDAS軟件建立實體模型，整個鋼煤斗構(gòu)件均采用板單元進行計算［1，3］。煤斗儲煤容重 13.6 kN /m3，儲煤內(nèi)摩擦角取 30°［1，3-4］，則側(cè)壓力系數(shù)為［1，4］

式中：φ為煤的內(nèi)摩擦角。

分別按豎向荷載和水平壓力對煤斗加載，豎向荷載大小為

式中：γ為煤的容重；h為儲煤深度；α為煤斗斜壁的傾斜角度。

水平壓力大小為

鋼煤斗的有限元模型如圖2所示。由于工程中鋼煤斗為懸掛式結(jié)構(gòu)，且上部懸掛于牛腿處點焊連接防止滑動，故模型中對牛腿支撐處施加剛性位移約束。計算中考慮材料自重，記恒荷載為DL，活荷載LL，則荷載組合為 1.1×（1.2DL+1.3LL）［2-4］，進行有限元計算。

圖2 鋼煤斗有限元模型

2.2 有限元模型的建立

鋼煤斗在設(shè)計荷載作用下的Mises應(yīng)力如圖3所示，位移如圖4所示。鋼煤斗的應(yīng)力變形有如下分布規(guī)律：

1）鋼煤斗在橫向加勁肋角部轉(zhuǎn)折處有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象［1］。鋼煤斗最大應(yīng)力發(fā)生在從上至下第5號橫向加勁肋角部，最大應(yīng)力為208.03 MPa。各層橫向加勁肋角部交匯處都有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，圖中可明顯看出角部交匯處周圍應(yīng)力迅速降低。

圖3 設(shè)計荷載作用下鋼煤斗應(yīng)力云圖

圖4 設(shè)計荷載作用下鋼煤斗位移云圖

2）鋼煤斗斜壁段應(yīng)力普遍較低，最大應(yīng)力也在斜壁相交的角部和斜壁與豎直段連接處為59.4 MPa，如圖5所示。鋼煤斗斜壁與豎壁相交處出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，局部最大應(yīng)力達到161.7 MPa，如圖6所示。煤斗斜壁和橫向加勁肋應(yīng)力分布符合實際規(guī)律，中間和兩端應(yīng)力較大，其他地方應(yīng)力較小，該模型能反映鋼煤斗真實的受力情況。

圖5 斜壁相交處局部應(yīng)力云圖

圖6 斜壁與豎壁相交處局部應(yīng)力云圖

3）鋼煤斗較大斜壁的中部及其加勁肋位移最大，最大位移為16.45 mm。主要原因是該處荷載較大且橫向加勁肋尺寸較長，其他地方位移逐漸減小，符合變形特征分布。

2.3 加密網(wǎng)格后的對比分析

為精確計算局部應(yīng)力集中對煤斗壁和加勁肋的影響，在計算中將MIDAS模型的網(wǎng)格劃分更加細化［5］，以期望得到更精確的結(jié)果，但計算發(fā)現(xiàn)結(jié)果并不理想，其原因是MIDAS進行有限元計算單純考慮有限元網(wǎng)格劃分后的節(jié)點進行荷載傳遞，要想得到更精確的結(jié)果需要將橫向加勁肋的網(wǎng)格更加細化。但考慮到橫向加勁肋與斜壁的連接，若將所有網(wǎng)格均進行過分細化會大大增加工作量且大部分細化工作沒有必要，因此MIDAS在模擬構(gòu)件接觸方面較遜色于其他專業(yè)有限元計算軟件。

原網(wǎng)格進行適當細化后，計算結(jié)果如圖7～10所示。在所有網(wǎng)格節(jié)點處應(yīng)力均存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，與實際的應(yīng)力分布情況有一定的出入，局部位置不能真實反映各個構(gòu)件的應(yīng)力分布特點。

圖7 網(wǎng)格細化后橫肋局部應(yīng)力云圖

圖8 網(wǎng)格細化前橫肋局部應(yīng)力云圖

圖9 網(wǎng)格細化后斜板局部應(yīng)力云圖

圖10 網(wǎng)格細化前斜板局部應(yīng)力云圖

3 有限元結(jié)果與手算結(jié)果對比分析

由有限元計算結(jié)果可知，該鋼煤斗應(yīng)力較大部位主要集中在水平角鋼加勁肋轉(zhuǎn)角處和跨中處，角部應(yīng)力最大，起控制作用。按照《貯倉結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》進行鋼煤斗設(shè)計時同樣是通過計算跨中和支座端彎矩進行加勁肋設(shè)計，現(xiàn)將1～16號加勁肋的有限元計算結(jié)果與手算結(jié)果進行對比如圖11～12所示。

圖11 橫向加勁肋端部應(yīng)力比較

由圖11～12對比分析可知，橫向加勁肋支座端部應(yīng)力遠大于跨中應(yīng)力，端部起控制作用。手算所得跨中應(yīng)力較MIDAS計算偏小，手算所得端部應(yīng)力較MIDAS計算普遍偏大，這是因為手算按封閉內(nèi)框架計算橫向加勁肋端部和跨中彎矩，并沒有考慮斜壁與加勁肋的共同作用，但曲線整體變化趨勢較為一致，端部個別點MIDAS計算結(jié)果較大是由于轉(zhuǎn)角處網(wǎng)格劃分問題和縱向加勁肋交角的應(yīng)力集中所致。鋼煤斗斜板手算最大應(yīng)力為115.42MPa，同樣遠大于MIDAS計算結(jié)果66.3MPa，因此根據(jù)《貯倉結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》進行設(shè)計是偏于保守的。

圖12 橫向加勁肋跨中應(yīng)力比較

通過MIDAS有限元分析與手算結(jié)果對比分析可知，該鋼煤斗在設(shè)計荷載作用下處于彈性受力狀態(tài)，且應(yīng)變很小，強度和剛度滿足設(shè)計要求。鋼煤斗橫向加勁肋角部轉(zhuǎn)折處有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象［1］，角部周圍應(yīng)力逐漸減小，至橫向加勁肋中部應(yīng)力較大，符合真實受力特征。根據(jù)《貯倉結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》進行計算結(jié)果偏于保守，完全能滿足設(shè)計安全需要。針對鋼煤斗橫向加勁肋角部應(yīng)力增大現(xiàn)象，可以考慮減小橫向加勁肋的整體截面大小，并采取一定的角部加強措施保證其安全性。如在斜壁角部通常加厚設(shè)置弧形鋼板，既防止了角部積煤，也減小了應(yīng)力，或加厚橫向加勁肋端部的厚度等，這樣在滿足設(shè)計安全的情況下節(jié)省了鋼材，縮減了造價，但加強的同時使施工工藝變得復(fù)雜，可在以后的工程中酌情考慮進行角部加強。

4 結(jié)語

分別利用MIDAS有限元分析軟件計算和根據(jù)《貯倉結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》手算對電廠鋼煤斗應(yīng)力進行對比分析，為電廠鋼煤斗設(shè)計提供了 借鑒。研究表明，鋼煤斗在橫向加勁肋角部為受力薄弱部位，可在今后的工程中進行加強處理。