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鋼板筒倉作為一種大型儲存容器的主要形式之一，因其具有占地面積少、自重輕、倉儲量大、施工時間短和易于管理等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、化工等許多領(lǐng)域。鋼板筒倉已經(jīng)有100多年的發(fā)展歷程，但是國內(nèi)的研究起步較晚，隨著我國工農(nóng)的現(xiàn)代化發(fā)展和建設(shè)水平的提高，散料儲存量不斷增長，對鋼板筒倉的需求越來越迫切。
鋼板筒倉屬于薄殼結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的設(shè)計方法較為簡單，貯料、工況的復(fù)雜性以及施工、使用過程中產(chǎn)生的材料缺陷使得鋼板筒倉結(jié)構(gòu)的破壞率很高，導(dǎo)致了巨大的經(jīng)濟損失。在倉壁根部，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壁產(chǎn)生徑向位移，而在邊界條件的約束下限制了筒倉底部的徑向位移，導(dǎo)致筒倉底部發(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)力進一步加大，進而筒倉出現(xiàn)塑性強度破壞，這便是“象腿”。對于這種破壞現(xiàn)象，國外在進行倉壁強度設(shè)計時采用折減設(shè)計強度的方法，而國內(nèi)的設(shè)計規(guī)范和設(shè)計手冊沒有考慮這種影響。杭州那泰有限元分析公司通過有限元程序ANSYS選取合適的單元和材料屬性，建立筒倉根部有限元模型，施加荷載后對其進行彈塑性大變形分析，詳盡描述了筒倉根部彎曲效應(yīng)對倉壁變形和應(yīng)力狀態(tài)的影響，結(jié)合國內(nèi)外的筒倉設(shè)計規(guī)范，為鋼板筒倉壁的強度設(shè)計提供借鑒。
有限元分析的對象為筒倉根部，選擇有限應(yīng)變殼shell181單元來模擬倉壁是非常合適的，它是每個節(jié)點六自由度的四節(jié)點單元，六個自由度包括X、Y、Z軸方向上的平動和繞X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動。
將倉壁鋼材簡化為各向同性的理想彈塑性材料，所選鋼材為Q235，屈服強度fy=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，建立幾何模型后對其劃分網(wǎng)絡(luò)后生成有限元模型。
進行ansys分析時必須限制剛體位移，因此求解問題的關(guān)鍵是邊界條件的處理�？紤]到現(xiàn)實施工中，筒倉底部固接的構(gòu)造程度十分復(fù)雜，所以此處的模擬按照鉸接形式。由于分析的是筒倉根部一小段應(yīng)力集中的部位，按一級屈曲模態(tài)取高度為5個線彈性彎曲半波長的筒倉底部一小段區(qū)域進行分析。
倉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《糧食鋼板筒倉設(shè)計規(guī)范》(GB50322-2011)中的荷載組合作用計算筒倉底部倉壁內(nèi)部側(cè)壓強 p=76.7kPa，豎向壓力線載fx=235.5kN/m,對有限元模型進行加載。
從筒倉發(fā)生“象腿”破壞現(xiàn)象時的有限元模型，可以明顯的看到在筒倉根部一定位置徑向位移達到最大值，呈“象腳”狀。由筒殼的荷載-倉壁最大徑向位移曲線可見，筒倉結(jié)構(gòu)在線彈性范圍內(nèi)工作時曲線接近線性關(guān)系，隨著荷載的繼續(xù)增加，筒倉進入彈塑性破壞階段后曲線變?yōu)榉蔷�性。
筒倉根部發(fā)生破壞時倉壁徑向位移沿筒倉高度的分布曲線，由圖可見，在距筒底約處徑向位移達到最大值，此處倉壁的Von Mises等效應(yīng)力也達到最大值。隨著筒壁進入塑性破壞并且還在不斷發(fā)展，造成倉壁剛度的迅速損失和屈服強度的降低，筒壁徑向位移的增大使得需要更大的薄膜應(yīng)力來抵消支座對筒壁的偏心作用。
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