◎ 單 良，郭宏魁

（1.中糧工科迎春農(nóng)牧機(jī)械（山東）有限公司，山東 東營 257092；2.東營市新邦金牛裝飾有限責(zé)任公司，山東 東營 257091）

目前，糧食鋼板筒倉所使用的倉壁門構(gòu)造存在多種形式，常見大體分類有矩形邊框直角倉壁門、矩形邊框圓角倉壁門、圓管倉壁門等形式。實(shí)踐中，多次出現(xiàn)了因倉壁門構(gòu)造不合理導(dǎo)致的如倉體變形、焊縫撕裂等安全隱患。本文根據(jù)《糧食鋼板筒倉設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50322—2011）[1]相關(guān)的設(shè)計(jì)要求和計(jì)算方法，針對幾種常見倉壁門進(jìn)行有限元計(jì)算。對規(guī)范結(jié)果和有限元結(jié)果進(jìn)行對比，并根據(jù)有限元計(jì)算的倉壁門應(yīng)力分布情況，提出倉壁門結(jié)構(gòu)優(yōu)選方案。由于矩形邊框直角倉壁門角部應(yīng)力過于集中，實(shí)際工程設(shè)計(jì)中應(yīng)避免此類構(gòu)造形式的方案，本文的成果可用于指導(dǎo)實(shí)際工程設(shè)計(jì)。

1 規(guī)范相關(guān)要求

《糧食鋼板筒倉設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]（以下簡稱“規(guī)范”）對洞口應(yīng)力計(jì)算作出了明確規(guī)定。規(guī)范中規(guī)定倉壁洞口應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，洞口應(yīng)力可采用有限元法計(jì)算[2]或規(guī)范中的簡化方法計(jì)算，矩形倉壁門的各處應(yīng)力可按規(guī)范附錄B計(jì)算。其中規(guī)范要求矩形倉門直角角點(diǎn)的應(yīng)力，無特殊載荷時，集中應(yīng)力可近似取洞口邊緣應(yīng)力的3～4倍。

2 有限元計(jì)算基本數(shù)據(jù)選擇及軟件

2.1 計(jì)算基本數(shù)據(jù)選用

選定的糧食裝配式鋼板筒倉倉壁洞口處壁板厚度為4 mm，倉壁板尺寸為1 560 mm×1 170 mm；倉壁門門框尺寸為600 mm×700 mm×200 mm，材料為 8 mm碳鋼板（材質(zhì)Q235B）；門倉壁板的拉力按板材屈服應(yīng)力的80%計(jì)算，即188 MPa。

2.2 實(shí)體構(gòu)件建模和有限元分析軟件

有限元分析軟件為Soild Edge 2022[3]，建模參數(shù)如下。

（1）材質(zhì)參數(shù)。密度：7 833 kg·m-3；彈性模量：199 947.953 MPa；屈服應(yīng)力：235 MPa；極限應(yīng)力：370 MPa[4]。

（2）模型參數(shù)。采用三維建模，分析方法采用線性靜態(tài)，網(wǎng)格劃分尺寸為20 mm，網(wǎng)格類型為四面體。

（3）受力狀況。板端側(cè)面拉力為188 MPa，自重自動采用，倉壁板面豎向摩擦力為37.4 kN·m-2（倉壁板承受自身產(chǎn)生的豎向摩擦力）。

（4）邊界條件。倉壁門位于筒倉底部，倉壁板底面坐落在基礎(chǔ)的接觸面采用固定約束，倉壁板受力方向平面內(nèi)采用雙向滑動。

3 3種常見結(jié)構(gòu)倉壁門的應(yīng)力有限元計(jì)算

3.1 矩形邊框直角倉壁門

矩形邊框直角倉壁門模型由Soild Edge 2022計(jì)算生成，結(jié)果如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 矩形邊框直角倉壁門應(yīng)力云圖

圖2 矩形邊框直角倉壁門應(yīng)力等值線圖

圖3 矩形邊框直角倉壁門位移等值線圖

根據(jù)上述應(yīng)力和位移計(jì)算結(jié)果顯示，本模型構(gòu)件材料主要應(yīng)力為100～400 MPa。角隅應(yīng)力集中，σmax接近于900～1 000 MPa。應(yīng)力跨度范圍較大，極差大，實(shí)際設(shè)計(jì)時會采取整體加厚的處理方法，倉壁板材料利用率不高。其主要變形位置位于兩側(cè)門框中間，呈兩側(cè)外凸?fàn)睿總?cè)變形量達(dá)1 mm。

3.2 矩形邊框圓弧角倉壁門

矩形邊框圓弧倉壁門模型由Soild Edge 2022計(jì)算生成，結(jié)果如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 矩形邊框圓弧角倉壁門應(yīng)力云圖

圖5 矩形邊框圓弧角倉壁門應(yīng)力等值線圖

計(jì)算結(jié)果顯示本模型構(gòu)件材料主要應(yīng)力為130～300 MPa。圓形倒角倉壁門框的形式明顯改善倉壁板角隅的應(yīng)力集中情況，σmax接近450～500 MPa。兩側(cè)門框亦呈兩側(cè)外凸趨勢，最大變形量為0.85 mm。本模型應(yīng)力跨度范圍、極差、倉壁板材料利用率以及變形等方面均有明顯改善。

圖6 矩形邊框圓弧角倉壁門位移等值線圖

3.3 圓管倉壁門

圓管倉壁門模型由Soild Edge 2022計(jì)算生成，結(jié)果如圖7、圖8、圖9所示。

圖7 圓管倉壁門應(yīng)力云圖

圖8 圓管倉壁門應(yīng)力等值線圖

計(jì)算結(jié)果顯示，圓管倉壁門框的形式消除倉壁板角隅的應(yīng)力集中情況，主要應(yīng)力為130～240 MPa，σmax接近300～320 MPa。兩側(cè)門框變形呈橢圓形，最大變形量為0.7 mm。

圖9 圓管倉壁門位移等值線圖

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 加強(qiáng)直角邊框倉壁門的計(jì)算結(jié)果分析

對于直角邊框的倉壁門結(jié)構(gòu)，計(jì)算結(jié)果顯示角部應(yīng)力值是正常倉壁板應(yīng)力的5.5～6.0倍，對應(yīng)于規(guī)范附錄B.0.1-1表中σθ/p值在45°時為5.763。如不改變倉壁門構(gòu)造形式，單獨(dú)加強(qiáng)倉門邊框截面[5]，考慮增強(qiáng)方案的應(yīng)力分析，由Soild Edge 2022計(jì)算生成，結(jié)果如圖10、圖11、圖12所示（門框改用20#槽鋼，用鋼量增加80%）。

圖10 槽鋼邊框直角倉壁門應(yīng)力云圖

圖11 槽鋼邊框直角倉壁門應(yīng)力等值線圖

圖12 槽鋼邊框直角倉壁門位移等值線圖

補(bǔ)充模型計(jì)算結(jié)果顯示，槽鋼門框的自身應(yīng)力降低至80～140 MPa，門框兩側(cè)最大變形量降低至 0.7 mm。但門框外周圍倉壁板角隅處應(yīng)力情況未發(fā)生改善，倉壁板角隅應(yīng)力值與平板倉壁門框情況基本相當(dāng)。由此可見僅加強(qiáng)矩形邊框，不改變倉壁門的構(gòu)造形式的處理方法不可取。

4.2 規(guī)范計(jì)算結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果的對比

對鋼板筒倉倉壁門周邊在拉力作用下的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，規(guī)范附錄B.0.1的計(jì)算結(jié)果與的Soild Edge 2022軟件的分析結(jié)果（取θ角方向上的較大值）對比見下表1。

表1 規(guī)范簡化計(jì)算與有限元計(jì)算結(jié)果對比表（單位：N·mm-2）

規(guī)范附錄B中并未提供圓筒倉壁門的應(yīng)力簡化計(jì)算方式，但有限元計(jì)算結(jié)果顯示圓筒倉壁門計(jì)算結(jié)果與規(guī)范附表B.0.1-1中θ=0°時的σθ/p值（1.616）基本相當(dāng)。

5 構(gòu)造形式優(yōu)劣分析

直角倉壁門邊框的危險之處在于倉壁板在門框角隅處的應(yīng)力過于集中，角隅外側(cè)倉壁板應(yīng)力大，實(shí)際應(yīng)用中如果加強(qiáng)倉壁門周圍倉壁板的厚度，會造成材料用量浪費(fèi)和相鄰倉壁板連接的應(yīng)力分布不均；同時倉壁門處倉壁板缺少加強(qiáng)措施時極易造成在矩形倉壁門外角處撕裂，引起倉體的破壞，造成嚴(yán)重的后果。相對直角倉壁門及圓角矩形倉壁門，圓管型倉壁門的安全性和合理性均得到相應(yīng)的改善，圓筒形倉壁門周圍倉板和倉壁門本身的應(yīng)力都基本均勻，是以上計(jì)算中最安全合理的一種構(gòu)造形式。

6 結(jié)論

（1）方形倉壁門其洞口周邊倉壁板應(yīng)力的有限元計(jì)算結(jié)果與規(guī)范附錄B表格中簡化計(jì)算值基本相符，簡化計(jì)算時按照規(guī)范附表能夠滿足使用安全。但需注意方形或矩形倉壁門角隅處相鄰倉壁板的應(yīng)力增加幅度，采取相應(yīng)的安全保證構(gòu)造措施。

（2）矩形直角倉壁門的模型分析中，角隅倉壁板在角隅120～150 mm的邊長范圍內(nèi)應(yīng)力巨大（直角時σθ/p可達(dá)5.5～6.0倍），實(shí)際設(shè)計(jì)時應(yīng)分散其角隅應(yīng)力。例如，可采取圓弧角，以分散倉壁板角隅應(yīng)力。

（3）方形倉壁門側(cè)邊框應(yīng)按兩端簡支的壓彎構(gòu)件計(jì)算，并適當(dāng)提高倉壁門側(cè)邊框的剛度，以解決倉壁板環(huán)向拉力分布不均的問題。

（4）實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中，很多項(xiàng)目都在采用方形和矩形倉壁門且角隅并未做圓角處理，相鄰的倉壁板加強(qiáng)亦處理不夠，而處理不當(dāng)會造成糧食鋼板筒倉的安全隱患。為滿足使用要求，倉壁門應(yīng)盡量選擇圓形結(jié)構(gòu)，使其受力情況合理。在達(dá)到同等受力條件下，滿足安全使用條件時圓筒倉壁門的材料用量最為 經(jīng)濟(jì)。