张伟
天津华冶工程设计有限公司 天津 300270
摘要：为了满足某火力发电厂土建结构设计的需要，应用通用有限元分析系统ANSYS对钢煤斗进行了结构分析，通过模型修改和反复试算确定了煤斗合理的结构设计方案，为钢煤斗施工详图设计提供了依据。
关键词：有限元法；钢煤斗；空间结构分析
在火力发电厂中，钢煤斗属于筒仓类特种钢结构。它们一般常做成圆形或方形或上方下圆的结构体型，其应力和变形分布均匀对称，受力性能比较好。但有时由于受工艺条件的限制，钢煤斗在几何外形上常常存在突变，这些突变部位在外荷载作用下会出现应力集中现象。此外，煤斗壁局部在外荷载作用下可能会出现较大的挠曲变形。钢煤斗是一种受力复杂的空间结构，为了达到安全、经济、合理、耐用等的设计目标，寻求钢煤斗可靠而正确的设计方法一直是设计人员十分关心的问题。作为产品和工程设计验证手段的有限元分析方法擅长于解决复杂空间结构的分析问题，因此利用它对钢煤斗进行有限元空间分析是钢煤斗设计的有效途径之一。通过有限元分析，可以得到钢煤斗各个部位的应力和变形值，找到应力集中和应力变形较大的部位。从而对结构进行有针对性的调整，通过模型修改和反复试算，最终找出最佳结构方案，为施工详图设计提供依据。
1．钢煤斗结构型式
本工程煤斗的上部为圆柱形仓筒，高5m，直径为10m，中部为支撑整个煤斗的圆柱形裙筒，通过它将煤斗的所有荷载传递给煤斗支撑框架大梁，裙筒高度1.5m，直径也为10m；下部为两个漏斗，每个漏斗的表面由两部分组成，外侧为斜椭圆锥面，内侧为平面。斜椭圆锥面上底直径为10m，下底（落煤口）直径为1m，上、下底圆的圆心水平偏移距离为2.7m，斜椭圆锥台的高度为9.97m，内侧平面为曲边三角形，曲边为平面与斜椭圆锥面的交线（双曲线），两个漏斗左右对称，两截平面交于上底圆正垂直径处。斜椭圆锥形漏斗与上部圆柱形仓筒及支撑裙筒三者相交于斜椭圆锥上底圆。
2．有限元模型的建立
2.2 几何模型的建立
2.1.1 几何模型的建立的方法
钢煤斗的设计包括两类构件：煤斗壁和加劲肋，我们采用混合维建模法建立钢煤斗的有限元分析模型。方法为用曲面或平面表示煤斗壁，用线表示加劲肋，指定单元类型时，用shell单元模拟煤斗壁，用beam单元模拟加劲肋。这种方法建模比较方便，实际上是对有限元模型进行了高度抽象，大大降低了模型的复杂度，网格剖分后单元数量少，计算速度快。
2.1.2 煤斗构件的形式、尺寸及布置
钢煤斗上部圆柱形仓筒壁板用10mm厚的Q235钢板，中部支撑裙筒采用30mm厚的Q235钢板，下部漏斗采用10mm厚的1Cr18Ni9Ti不锈钢板。仓筒外水平环向加劲肋（间距为1.0m，共6道）及漏斗锥面水平环向加劲肋（间距为0.8m，共12道）采用L100×10等边角钢，漏斗斜平板水平向加劲肋（间距为0.8m，共12道）采用28a工字钢，竖向加劲（间距为0.8m，共11道）采用L200×16等边角钢。
2.2 材料参数
Q235钢的弹性模量为2.06X105，泊松比为0.3，强度设计值为0.5MPa，密度为78kN/m3。1Cr18Ni9Ti不锈钢的强度设计值约为540 MPa，弹性模量、泊松比取值同Q235钢，材料均设为线弹性各向同性。
2.3 边界条件
按照煤斗的实际支承情况，在裙筒底部16个等分点处，施加固定约束。
2.4 荷载计算及施加方法
计算荷载中，恒载包括煤斗（含顶盖）自重，活荷载为考虑满煤的重量以及顶盖的积灰荷载，顶盖自重取1.3kN/m2，积灰荷载取0.5kN/m2。
煤的重力密度为γ=10kN/m3，内摩擦角为φ=30°，冲击影响系数为C=1.0。应力计算时，荷载取设计值，计算支座反力时荷载取标准值。筒仓的贮料压力作用于煤斗内壁上的荷载有如下三类：
（1）煤粉作用于仓筒内壁单位面积上的水平侧压力 Ph ：
Ph = Υq*k*Υ*S ，其中：k为侧压力系数，k = tan2（45-φ/2）
（2）煤粉作用于漏斗内壁单位面积上的切向应 Pt ：
Pt =Υq*Pv*（1-k）* sinα* cosα
其中：Pv 为煤粉作用于仓底（漏斗）处单位面积上的竖向压力，在漏斗顶面Pv=Υ*hn，在漏斗底面Pv=Υ*（hn+hh）；α为漏斗壁板的倾斜角度
（3）作用于漏斗内壁单位面积上的法向压力Pn：
Pn =Υq*ε*Pv ，其中：ε= cos2α+ksin2α
由上可见，仓筒内壁水平侧压力Ph的大小是随高度S呈线性变化的，漏斗内壁切向应力Pt，法向应力Pn的大小不仅与高度S呈线性关系，而且与漏斗壁板的倾角α的三角函数密切相关。对裤衩型煤斗的漏斗来说，由于α不是一个定值，所以Pt、Pn的分布规律比较复杂。在施加荷载时，Ph可以直接施加到模型上，而Pt、Pn则无法直接施加到模型上去。原因是ANSYS软件只能直接施加作用于模型的平面或曲面上大小呈线性变化的法向荷载，而对于与平面或曲面任意倾斜方向（包括切向）且大小呈非线性变化规律的荷载难以直接施加。为此我们针对该煤斗编写了荷载倒算程序，将漏斗内壁上的法向与切向荷载经计算直接转换为单元节点荷载，使得漏斗壁上的荷载全部正确的施加上去。
3．计算结果与结果分析
3.1 计算结果
通过对上述有限元模型的计算分析得到以下主要结果：煤斗壁板的最大应力为221MPa，它位于漏斗第7道（从上向下）加劲肋高度处的斜平板与锥面的交接处；壁板绝大多数地方的应力均小于123MPa。最大位移在漏斗斜平板第4、5道水平环向加劲肋之间的壁板中部，为10.96mm。
3.2 结果分析
从计算结果可以看到：
（1）煤斗变形：整个煤斗的最大位移满足规范规定1/150a=57.1mm的要求。
（2）煤斗应力：从应力分布来看，绝大多数区域的应力值都小于Q235 钢材的强度设计值215MPa，仅仅在几何外形发生突变的位置出现了应力超过215MPa的区域，其值为221MPa，即出现应力集中现象，但面积很小。此外，在裙筒底部支座处以及仓筒、裙筒与两斜平板交汇处的箱型梁三者相交的部位均有不同程度的应力集中。
4．结论
从整体上看，钢煤斗有限元模型与实际情况十分接近，计算所得的应力值、位移值及支座反力是准确可靠的。在漏斗斜平板与锥面板相接的小部分区域、裙筒底部16个支座及仓筒、裙筒与两斜平板交汇处的箱型梁三者相交的部位，存在不同程度的应力集中现象。但由于钢材具有良好的塑性变形能力，可以引起应力重分布，从而缓解了应力集中，所以这种较小区域上的应力集中，不会对煤斗的整体结构安全造成影响。具体施工图设计时，可在裙筒支座处设置竖向加劲肋，在斜平板与锥面板相接处采取构造措施处理（如圆角），以缓解这些区域的应力集中，同时也要采取合理的焊接措施，控制焊缝质量。
通过对该钢煤斗的有限元空间计算分析发现：增加钢板厚度对减小煤斗的应力有一定的作用，而对减小煤斗的变形作用不大，即钢板厚度仅对应力起控制作用，而对变形影响不大，真正对变形起控制作用的是加劲肋间距，加劲肋间距减小可以有效地控制煤斗的壁板变形。据此我们不断调整钢板厚度与加劲肋间距，反复试算，确定了合适的壁板厚度和加劲肋间距，达到了钢煤斗结构最优化设计的目的，最终的结构布置方案可作为施工图设计的依据。
【主要参考文献】
[1] 孙克。 特种结构[M]，北京，北京大学出版社，2016；
[2] GB 50017-2017，钢结构设计标准[S]；
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