澳大利亚某大型铁矿选矿厂项目设计年处理原矿8400万t，年产铁精矿2400万t。Φ20m×10m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更高的要求。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间的加强梁组成。
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200×150H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5mm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210GPa，泊松比为0.3，比重为7850kg/m3，除具有较高的力学性能外，其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，这样既然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16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20m，而起拱高度仅1.7m，因此顶盖失稳的情况较小可以不考虑，而对其强度刚度造成影响的主要因素是长期工作过程中顶盖自重。顶盖重力载荷在ANSYS中体现为模型沿盖体圆面的法向加速度，即沿Z轴方向的加速度g=9.8，ANSYS中命令流为acel,,,9.8。其力学模型见图2。
图2 顶盖力学模型
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