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鋼板筒倉(cāng)作為一種大型儲(chǔ)存容器的主要形式之一，因其具有占地面積少、自重輕、倉(cāng)儲(chǔ)量大、施工時(shí)間短和易于管理等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、化工等許多領(lǐng)域。鋼板筒倉(cāng)已經(jīng)有100多年的發(fā)展歷程，但是國(guó)內(nèi)的研究起步較晚，隨著我國(guó)工農(nóng)的現(xiàn)代化發(fā)展和建設(shè)水平的提高，散料儲(chǔ)存量不斷增長(zhǎng)，對(duì)鋼板筒倉(cāng)的需求越來(lái)越迫切。
鋼板筒倉(cāng)屬于薄殼結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法較為簡(jiǎn)單，貯料、工況的復(fù)雜性以及施工、使用過(guò)程中產(chǎn)生的材料缺陷使得鋼板筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)的破壞率很高，導(dǎo)致了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。在倉(cāng)壁根部，在法向壓力和豎向摩擦力的共同作用下，有可能發(fā)生塑性破壞。法向壓力的作用使倉(cāng)壁產(chǎn)生徑向位移，而在邊界條件的約束下限制了筒倉(cāng)底部的徑向位移，導(dǎo)致筒倉(cāng)底部發(fā)生局部彎曲變形，并且豎向摩擦力的存在，局部彎曲變形和彎曲應(yīng)力進(jìn)一步加大，進(jìn)而筒倉(cāng)出現(xiàn)塑性強(qiáng)度破壞，這便是“象腿”。對(duì)于這種破壞現(xiàn)象，國(guó)外在進(jìn)行倉(cāng)壁強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)采用折減設(shè)計(jì)強(qiáng)度的方法，而國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)規(guī)范和設(shè)計(jì)手冊(cè)沒有考慮這種影響。杭州那泰有限元分析公司通過(guò)有限元程序ANSYS選取合適的單元和材料屬性，建立筒倉(cāng)根部有限元模型，施加荷載后對(duì)其進(jìn)行彈塑性大變形分析，詳盡描述了筒倉(cāng)根部彎曲效應(yīng)對(duì)倉(cāng)壁變形和應(yīng)力狀態(tài)的影響，結(jié)合國(guó)內(nèi)外的筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范，為鋼板筒倉(cāng)壁的強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供借鑒。
有限元分析的對(duì)象為筒倉(cāng)根部，選擇有限應(yīng)變殼shell181單元來(lái)模擬倉(cāng)壁是非常合適的，它是每個(gè)節(jié)點(diǎn)六自由度的四節(jié)點(diǎn)單元，六個(gè)自由度包括X、Y、Z軸方向上的平動(dòng)和繞X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。
將倉(cāng)壁鋼材簡(jiǎn)化為各向同性的理想彈塑性材料，所選鋼材為Q235，屈服強(qiáng)度f(wàn)y=235MPa，彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比v=0.3。
ANSYS分析必須使用有限元模型，建立幾何模型后對(duì)其劃分網(wǎng)絡(luò)后生成有限元模型。
進(jìn)行ansys分析時(shí)必須限制剛體位移，因此求解問題的關(guān)鍵是邊界條件的處理�？紤]到現(xiàn)實(shí)施工中，筒倉(cāng)底部固接的構(gòu)造程度十分復(fù)雜，所以此處的模擬按照鉸接形式。由于分析的是筒倉(cāng)根部一小段應(yīng)力集中的部位，按一級(jí)屈曲模態(tài)取高度為5個(gè)線彈性彎曲半波長(zhǎng)的筒倉(cāng)底部一小段區(qū)域進(jìn)行分析。
倉(cāng)壁上的作用力包括豎向環(huán)向側(cè)壓力和豎向摩擦應(yīng)力，按照《糧食鋼板筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50322-2011)中的荷載組合作用計(jì)算筒倉(cāng)底部倉(cāng)壁內(nèi)部側(cè)壓強(qiáng) p=76.7kPa，豎向壓力線載fx=235.5kN/m,對(duì)有限元模型進(jìn)行加載。
從筒倉(cāng)發(fā)生“象腿”破壞現(xiàn)象時(shí)的有限元模型，可以明顯的看到在筒倉(cāng)根部一定位置徑向位移達(dá)到最大值，呈“象腳”狀。由筒殼的荷載-倉(cāng)壁最大徑向位移曲線可見，筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)在線彈性范圍內(nèi)工作時(shí)曲線接近線性關(guān)系，隨著荷載的繼續(xù)增加，筒倉(cāng)進(jìn)入彈塑性破壞階段后曲線變?yōu)榉蔷�性。
筒倉(cāng)根部發(fā)生破壞時(shí)倉(cāng)壁徑向位移沿筒倉(cāng)高度的分布曲線，由圖可見，在距筒底約處徑向位移達(dá)到最大值，此處倉(cāng)壁的Von Mises等效應(yīng)力也達(dá)到最大值。隨著筒壁進(jìn)入塑性破壞并且還在不斷發(fā)展，造成倉(cāng)壁剛度的迅速損失和屈服強(qiáng)度的降低，筒壁徑向位移的增大使得需要更大的薄膜應(yīng)力來(lái)抵消支座對(duì)筒壁的偏心作用。
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