钢板筒仓侧壁压力的非线性有限元分析 (2)

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1、工业建筑/IndustrialStructure,2008,38(sup.),447-451.钢板筒仓侧壁压力的非线性有限元分析张炎圣杨晓蒙陆新征清华大学土木工程系，北京，100084摘要：钢板筒仓已有超过70年的使用历史。Janssen公式的提出，使钢板筒仓的设计有了理论基础，但难以适应各种复杂的筒仓结构和形状。本文基于大型有限元软件MSC.MARC，通过借助MARC提供的用户自定义材料功能，开发了关联流动和非关联流动弹塑性本构模型，利用MARC自带的接触功能，对筒仓侧壁的应力进行了分析，并将结果与Janssen公式进行了对

2、比。分析结果表明，非线性有限元计算可以准确获得筒仓侧壁的压力分布且具有较好的灵活性。关键词：Janssen公式弹性理论关联流动塑性非关联流动塑性NonlinearFiniteElementAnalysisfortheWallPressureinaSteelSiloZhangYan-shengYangXiao-mengLuXin-zhengDepartmentofCivilEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing,100084Abstract:Ithasbeen70yearssincepeop

3、lestartedusingsteelsilosforthestorageofgrain.TheproposalofJanssen’sFormulamakesatheoreticalfoundationforthestudyofsteelsilos,butitisdifficulttoadapttheformulatocomplexsilostructuresandshapes.ThispaperisbasedonfiniteelementsoftwareMSC.MARC.Byusinguser-definedmaterial

4、functionprovidedbyMARC,associatedandnon-associatedflowofelastic-plasticityconstitutivemodelsaredeveloped.WallstressofthesiloisanalyzedbythecontactfunctioninMARC,andtheresultsarecomparedwithJanssen’sFormula.Theresultsshowthatthenon-linearfiniteelementcalculationcanbe

5、accuratetothesilowallpressuredistributionandofbetterflexibility.Keywords:Janssen’sFormula,elastictheory,associatedplasticflow,non-associatedplasticflow1研究背景筒仓物料是一种比较复杂的散粒体材料，最准确的模拟应当采用非连续数值方法（如离[1,2]散单元法等）逐粒模拟物料在筒仓内部的堆积、流动行为。显然，这类分析对于小型实验室研究而言是可行的，而对于大型实际工程结构而言，目前的计

6、算机能力还难以充分满足其需求。因此，在分析物料和筒仓间的静荷载压力时，多采用连续体力学的方法加以近似模[3,4]拟，其精度基本可以满足一般工程需要。在过去计算机尚不发达的时期，以Janssen公式为代表的近似解析解被工程界广泛采用。但是，由于Janssen公式的简化程度较大，逐渐不能满足工程的精确性和安全性的要求，而伴随着现代计算机技术的发展，考虑接触计算的非线性有限元分析开始逐渐得到工程界的重视。由于非线性有限元计算核心依然基于连续体力学和弹塑性力学，其可靠性已经得到理论上的严密证明，因而比起新兴的非连续数值方法而言，其稳定

7、性和参数依赖性要表现得好得多。而且非线性有限元计算可以适应各种不同的复1工业建筑/IndustrialStructure,2008,38(sup.),447-451.杂筒仓内部空间环境，比解析法更为灵活，且计算量目前的微机也已经完全可以处理，所以是最为实用化的筒仓侧壁压力分析方法。[5,6]已有文献中已经利用非线性有限元方法对筒仓侧壁压力进行了讨论。但是，对内部物料材料模型的选择还不是很严格。线弹性材料模型虽然计算简便，但是在筒仓折角等形状突变位置，容易出现不真实的应力集中现象，进而影响分析结果的可信度。由于筒仓内部物料一般处

8、于比较干燥的状态，其粘聚应力较低，因此比较容易进入塑性阶段。如果采用常用的[7]关联流动塑性模型，虽然简便易行，但往往会过高估计内部物料进入塑性后的体积膨胀效应，也可能会影响侧壁压力计算结果的准确程度。非关联流动塑性模型一般认为是比较合适[8]的用于描述摩擦型材料的本构模型。