Ｓｅｒｉａｌ Ｎｏ．５２１ 现代矿业 Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ．２０１２ Ｍ０ＤＥＲＮ ＭＩＮＩＮＧ 总第５２１期 ２０１２年９月第９期 基于ＡＮＳＹＳ的水罐顶盖结构力学分析 张 亮 姜 磊 郭跃久 羿 鹏 周学飞 （北方重工集团有限公司矿山机械分公司） 摘 要 为解决６２０ ｍ×１０ ｍ水罐在海运过程中，顶盖易发生变形和破坏的ｉ￣＇－Ｉ题，提出了以 ＡＮＳＹＳ分析软件建立有限元模型并进行加载计算的方法，为顶盖的最终设计提供了可靠的理论依 据，达到了提高安全性，缩短设计周期目的。 关键词ＡＮＳＹＳ软件有限元顶盖 澳大利亚某大型铁矿选矿厂项目设计年处理原 矿８ ４００万ｔ，年产铁精矿２ ４００万ｔ。 ２０ ｍ×１０ ｍ 储水罐在该选矿流程中起着存储和分配水源的关键 作用，顶盖为水罐的一部分。由于水罐要求整体制 作完成后运往澳大利亚，因此对顶盖的强度及刚度 提出了较高的要求。利用ＡＮＳＹＳ软件丰富的单元 模型，强大的分析优化能力，对顶盖进行了有限元建 模、约束、加载，为设计提供了可靠的理论依据。 １顶盖有限元模型的建立 顶盖有限元结构模型主要由主衍架、次衍架、顶 盖板、连接主次衍架及衍架与顶盖板之问的加强梁 组成。 顶盖的定载荷和活载荷几乎全部作用于主衍架 上，因此主衍架必须具备足够的强度和刚度。其８ 组主衍架选用２００×１５０ Ｈ型钢，主衍架首末端之间 同样采用２００×１５０ Ｈ型钢进行连接，其他部分则采 用槽钢１６进行连接。这样的设计既保证了足够的 强度也有效地降低了重量。次衍架主要起连接主衍 架和增加刚度的作用，因此其８组次衍架所有结构 均采用槽钢１６进行焊接。此外还在顶盖的上表面 均布地增加了１６组型号７．５的角钢作为刚度梁，并 在顶盖整个衍架上面焊接了５ ｍｍ厚的顶部盖板， 以满足人工顶部操作要求。梁和盖板材料均选用低 合金高强度钢Ｑ３４５Ｂ，弹性模量为２１０ ＧＰａ，泊松比 为０．３，比重为７ ８５０ ｋｇ／ｍ ，其除具有较高的力学性 能外，基础焊接工艺性也非常好。 由于顶盖结构复杂，建模时必须进行简化，所以 主衍架、次衍架和刚度梁模型以直线来代替，选择６ 自由度梁单元Ｂｅａｍ１８８进行有限元化，不同的梁通 张亮（１９７９一），男，硕士，主任设计师，工程师，１１０８６０辽宁省 沈阳市经济技术开发区开发大路１６号。 １６０ 过定义不同的截面来实现。不采用实体建模，以实 体有限元模型ｓｏｌｉｄ４５来划分，其原因是这种方式不 仅建模难度大，而且会产生庞大的单元数据，会造成 计算机资源的严重浪费，分析结果与简化模型相比 优化效果微乎其微，并且与ＡＮＳＹＳ分析宗旨相背 离。盖板模型以面来简化，选用６自由度弹性壳单 元Ｓｈｅｌｌ６３对其进行分网，通过定义单元厚度为 ０．００５来模拟，不采用建立实体盖板的原因与衍架建 模相同。在模型分网过程中，单元大小选择决定了 计算结果的精度，太疏其结果与实际误差过大，太密 对结果精确提升不大，而影响计算速度。本文采取 的措施是在受力部位、连接较多的部位适当增大网 格密度，而在衍架弦和盖板的中间部位适当减小网 格密度，这样既保证了较好的计算精度又节省了计 算资源。基于上述结构的顶盖有限元模型见图１。 图１顶盖有限元模型 ２顶盖力学模型建立 顶盖有限元模型完成后，需要给顶盖添加临界 条件，包括位移、旋转约束以及重力的影响。顶盖与 水罐通过１６组主次衍架末端下侧的支架焊接在水 罐壁板上。基于以上实际情况ＡＮＳＹＳ中对主次衍 架的ｌ６个末端点采用全位移约束Ａｌｌ Ｄｏｆｓ的点约 束。在运输和正常工作过程中，顶盖受力包括自重、 风载、雨载及地震载荷。影响整个水罐稳定性的因 素有运输过程中船体的晃动、台风对盖体向上的吸 力、雨载对盖板的压力。但由于顶盖直径达到２Ｏ
