1、有限元法對大型錐底槽進行優(yōu)化設(shè)計摘要:用有限元法對儲槽的兩種不同錐底進行了分析比較，選出優(yōu)化方案。關(guān)鍵詞:有限元儲槽錐底菊瓣SolidworksSimulation錐底槽是化工生產(chǎn)中常用的儲料設(shè)備，其底部采用倒置的錐狀形式，有利于物料的排出。對于直徑較小的錐底槽，一般將槽的支撐設(shè)置在直筒下部靠近錐底的位置；而對于較大直徑（15m的錐底槽則一般在錐底延放射狀均勻地布置傘狀的支撐（如圖1）。對于這種結(jié)構(gòu)的錐底鋼板，目前還沒有適當(dāng)?shù)睦碚摴絹碛嬎闫鋺?yīng)力狀況，只能采用有限元法來對其進行分析。本文將采用有限元的方式對兩種類型的錐底傘狀結(jié)構(gòu)進行分析，找到最為優(yōu)化的結(jié)構(gòu)方案，即最節(jié)省錐底材料的方法,這在錐底

2、槽直筒段較高或直徑較大的情況下尤顯重要。常見的錐底傘狀結(jié)構(gòu)有兩類：純錐底結(jié)構(gòu)（如圖2）和菊瓣狀錐底的結(jié)構(gòu)（如圖3）。在對這兩類結(jié)構(gòu)進行有限元的建模時，考慮到它們結(jié)構(gòu)上的共性，即在每一個傘狀支撐的區(qū)域間結(jié)構(gòu)和載荷都是相同的，并且在傘狀支撐的區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)和載荷呈幾何對稱，故而我們可以只選取錐底的兩個相鄰的半邊傘狀區(qū)域進行建模分析即能得到準(zhǔn)確的應(yīng)力分布結(jié)果。對于傘狀支撐的分布不均勻的錐底，可以選取最危險的區(qū)域即支撐跨度最大的區(qū)域來建模分析。另外建模時不需要將槽蓋建出,直筒段也只需適當(dāng)建一小截，被剪略去的部分可等效成適當(dāng)?shù)妮d荷施加在現(xiàn)有模型上。能用來對本文中模型進行有限元分析的軟件很多，這里選用的是So

3、lidworksSimulation,其優(yōu)點在于建模和分析融為一體，操作簡潔，運算速度快，足以滿足常見的靜態(tài)小變形力學(xué)分析的要求。計算條件：直徑20m的錐底儲槽，從錐底排料口到上部溢流口的高度為15m,錐底和水平面夾角30,錐底下面均勻分布了12條支撐。儲槽內(nèi)裝的礦漿密度1.6kg/l,常溫。試計算錐底鋼板所需最小厚度。在前處理中，首先截取模型的1/12,支腿根部定義為固定，然后將1/12模型兩側(cè)的剖分面定義為對稱關(guān)系。在相當(dāng)于模型溢流口的高度上建立一個坐標(biāo)系，使坐標(biāo)系中X軸呈垂直向下。選取槽內(nèi)壁作為受力面,單位為1N/m2,定義非均布壓強為P=15680 x其中15680為液體的密度(160

4、0g/l)g(9.8),x為坐標(biāo)系中X軸的坐標(biāo)(mm)即礦漿的深度，這樣程序就可自動給每一個節(jié)點分配其對應(yīng)液面深度的載荷。在直筒段的上端面施加一個壓力，其大小相當(dāng)于被剪略去的槽體、槽蓋和桁架等的自重(如圖4、圖5)。在讓程序生成網(wǎng)格的時候，應(yīng)注意選取一個適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格大小，過小的網(wǎng)格可能超出電腦系統(tǒng)的運算能力，過大的網(wǎng)格又會失去計算精度甚至無法劃分網(wǎng)格。對于這種類型的計算，建議網(wǎng)格的大小選為最薄鋼板厚度的15倍。也可以采用網(wǎng)格控制的手段，對所關(guān)注部位的網(wǎng)格要求更細(xì)的劃分。網(wǎng)格生成后，需要通過查看網(wǎng)絡(luò)細(xì)節(jié)來檢查其最大長寬比，建議不要超過1/40，雅可比應(yīng)為0。本例的網(wǎng)格劃分為80mm。網(wǎng)格完成后即可

5、運行解算器求解。如果還需要對模型進行更準(zhǔn)確的分析，可以在算例屬性中選擇h-自適應(yīng)，并打開網(wǎng)格粗糙化，選取一個大于98%（根據(jù)計算精度的需要確定）的目標(biāo)精度。在這種條件下運行算例，程序會在運行算例和評估應(yīng)變能量誤差之后，自動改善網(wǎng)格的劃分：應(yīng)力復(fù)雜的位置網(wǎng)格較細(xì)，而應(yīng)力分布簡單且均勻的位置網(wǎng)格較粗。可以通過多次嘗試來盡可能地提高目標(biāo)精度。當(dāng)網(wǎng)格能夠滿足精度后，取消h-自適應(yīng)選項，選取大型位移選項，這樣程序會以漸進、均勻的方式分步應(yīng)用載荷直至達到最大載荷，并在每一步中應(yīng)用上一步的變形結(jié)果。通過這些處理手段而得到的數(shù)據(jù)完全可以達到足夠的精度。對于這一類復(fù)雜應(yīng)力計算結(jié)果的解讀，需要相當(dāng)?shù)牧W(xué)分析技巧。

6、通常應(yīng)先整體查看應(yīng)力的分布和變形的效果，是否和經(jīng)驗判斷接近，如果相去甚遠就可能是前期的邊界條件設(shè)置不合理或建模有問題，應(yīng)重新檢查。需要特別注意的是，一次應(yīng)力、二次應(yīng)力以及峰值應(yīng)力的判讀1：一次應(yīng)力是為平衡壓力與其他機械載荷所必須的法向應(yīng)力或剪應(yīng)力，其特點是沒有自限性；二次應(yīng)力是為滿足外部約束條件或結(jié)構(gòu)自身變形連續(xù)要求所必須的法向應(yīng)力或剪應(yīng)力，其特點是有自限性；峰值應(yīng)力是由局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)或局部熱影響所引起的附加于一次與二次應(yīng)力之上的應(yīng)力增加，其特點是局限性與自限性，它不會引起任何顯著變形。一般參照J(rèn)B4732鋼制壓力容器一分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的許用應(yīng)力法來判斷結(jié)構(gòu)的強度是否滿足設(shè)計要求，如果用非線性分析則按JB4732采用極限應(yīng)力法來判斷。在本例中，經(jīng)過反復(fù)地計算和修改尺寸后，最終得到的優(yōu)化結(jié)果是采用純錐底結(jié)構(gòu)（如圖6）需要的鋼板厚度為30mm,而采用菊瓣狀錐底的結(jié)構(gòu)（如圖7）鋼板只需要14mm。在本案例中菊瓣狀錐底較之純錐底節(jié)省了50%以上的鋼材（未考慮腐蝕余量）,這