有限元法在塑鋼纏繞排水管設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

董勉勵(lì) 陳新風(fēng) 付明明

(深圳 518118)

有限元法在塑鋼纏繞排水管設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

董勉勵(lì) 陳新風(fēng) 付明明

(深圳 518118)

塑料埋地管材逐步取代傳統(tǒng)剛性管材已成為一種趨勢(shì)，而新型的結(jié)構(gòu)壁管發(fā)展更加迅速，結(jié)構(gòu)壁管的先進(jìn)設(shè)計(jì)也引起管道生產(chǎn)企業(yè)的足夠重視。本文通過(guò)對(duì)比有限元法與傳統(tǒng)理論計(jì)算方法在產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中的優(yōu)勢(shì)來(lái)說(shuō)明采用先進(jìn)設(shè)計(jì)方法將會(huì)給管道企業(yè)帶來(lái)的好處，指出更多先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)將會(huì)推動(dòng)埋地管道更快的發(fā)展。

鋼塑纏繞管，環(huán)剛度，熱變形，優(yōu)化設(shè)計(jì)，有限元

1.背景

以往，我國(guó)的埋地排水管基本上采用的是鑄鐵管、混凝土管和鋼筋混凝土管等剛性管道系統(tǒng)。近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，隨著高分子材料及高分子聚合技術(shù)的快速發(fā)展，管道領(lǐng)域發(fā)生了重大變革，“以塑代鋼”成為一種趨勢(shì)，國(guó)際上塑料埋地排水管已經(jīng)廣泛應(yīng)用了幾十年。由于塑料埋地排水管的獨(dú)特優(yōu)越性加上政府的鼓勵(lì)和支持，近年來(lái)國(guó)內(nèi)應(yīng)用市場(chǎng)迅速發(fā)展。

深圳華瀚管道科技有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)華瀚管道)是一家專(zhuān)業(yè)從事給排水管道的研發(fā)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售的高新技術(shù)企業(yè)，塑鋼纏繞管是華瀚管道產(chǎn)品中自主創(chuàng)新，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型鋼塑復(fù)合重力自流管道產(chǎn)品，屬于纏繞成型法制成的結(jié)構(gòu)壁管的一種，該種管道既有鋼的強(qiáng)度和剛性，又具備塑料的柔性和防腐蝕性。

本文結(jié)合有限元分析軟件ANSYS在華瀚管道產(chǎn)品研發(fā)中的使用情況，說(shuō)明新的設(shè)計(jì)方法在管道生產(chǎn)中的應(yīng)用特點(diǎn)，并比較與傳統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)方法的優(yōu)勢(shì)。

2. ANSYS介紹

ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國(guó)ANSYS開(kāi)發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer, NASTRAN, IDEAS, AutoCAD等,是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAE工具之一，可以用來(lái)求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場(chǎng)及碰撞等問(wèn)題。在航空航天、汽車(chē)工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機(jī)械等行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

結(jié)合華瀚管道產(chǎn)品的特點(diǎn)，公司設(shè)計(jì)人員運(yùn)用ANSYS的結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊計(jì)算管道的環(huán)剛度和應(yīng)力變形及沖擊試驗(yàn)，熱力學(xué)模塊分析異型帶材經(jīng)擠出機(jī)定型冷卻時(shí)的熱變形、應(yīng)力分布和烘箱試驗(yàn)，優(yōu)化工具用于管道結(jié)構(gòu)壁的優(yōu)化設(shè)計(jì)和產(chǎn)品定型。管道試驗(yàn)中的蠕變比率、換柔性和縫的拉伸強(qiáng)度均可由ANSYS相應(yīng)的分析模塊來(lái)完成。相比以往的設(shè)計(jì)方法和思路，ANSYS提供的有限元分析大大縮短了企業(yè)新型管道的研發(fā)周期，現(xiàn)實(shí)應(yīng)用效果明顯。

3 ANSYS在管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1 環(huán)剛度設(shè)計(jì)

埋地排水排污用途的塑料管材主要承受來(lái)自管材外部的載荷，設(shè)計(jì)中管壁為具有特定形狀的非承壓管道。對(duì)于承受外部載荷的塑料管材而言，管材的環(huán)剛度是一個(gè)重要指標(biāo)。根據(jù)材料力學(xué)理論，管材的管壁設(shè)計(jì)成特定的結(jié)構(gòu)，管材既能具有很好的力學(xué)性能，又能大大降低管材的重要(材料用量)，從而降低管材成本。

按我國(guó)現(xiàn)在的技術(shù)規(guī)程，環(huán)剛度的選擇是先初步選擇，然后進(jìn)行‘管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)’，進(jìn)行管道變形驗(yàn)算、強(qiáng)度計(jì)算、壓屈失穩(wěn)計(jì)算等。如果計(jì)算結(jié)果不滿(mǎn)足要求就增大環(huán)剛度重新計(jì)算，或者減少后重新計(jì)算。

國(guó)際ISO標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于管材的環(huán)向剛度稱(chēng)為環(huán)剛度，其物理意義是一個(gè)管環(huán)斷面的剛度，可以用以下的公式計(jì)算:

其中:S —環(huán)剛度，kN /m2；E—材料的彈性模量，kN /m2；I—慣性矩m4/m，D—管材的平均直徑，m。

實(shí)際設(shè)計(jì)中，塑鋼纏繞管由Q235鋼帶和聚乙烯塑料符合纏繞而成，鋼帶的彈性模量E≈2.1×105MPa，而普通中、高密度聚乙烯的彈性模量一般在540Mpa到750Mpa之間，由此可見(jiàn)在塑鋼纏繞管環(huán)剛度理論計(jì)算時(shí)聚乙烯材料對(duì)管材環(huán)剛度影響可以忽略。則上式可推導(dǎo)出：

其中：E—材料的彈性模量，kN /m2；h—鋼帶厚度，m；b—鋼帶寬度，m；D—管材的平均直徑，m；c—單的帶材截面長(zhǎng)度。

通過(guò)理論公式計(jì)算出來(lái)的環(huán)剛度與實(shí)際生產(chǎn)管材的環(huán)剛度有不小的誤差，因?yàn)椋?1)設(shè)計(jì)中為便于計(jì)算，將管材的環(huán)剛度簡(jiǎn)化為增強(qiáng)鋼帶的環(huán)剛度；（2）理論計(jì)算中，未考慮帶材螺旋纏繞結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)剛度的影響；

對(duì)環(huán)剛度的設(shè)計(jì)應(yīng)用的是ANSYS的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析模塊，通過(guò)分別建立增強(qiáng)鋼帶和包覆PE的有限元模型并分配不同的材料屬性，施加符合標(biāo)準(zhǔn)的約束和載荷，ANSYS求解出管道發(fā)生3%變形時(shí)的反作用力，通過(guò)轉(zhuǎn)換計(jì)算就能求出非常精確的環(huán)剛度數(shù)值。與理論計(jì)算法相比，由于A(yíng)NSYS分析模型完全模擬真實(shí)的管壁結(jié)構(gòu)，計(jì)算精度更高，如下圖1所示。

3.2 聚乙烯擠出成型冷卻的熱變形分析

華瀚管道生產(chǎn)的塑鋼纏繞管由鋼塑復(fù)合的異型帶材(如下圖2所示)經(jīng)螺旋纏繞焊接（搭接面上擠出焊接）制成(如下圖3所示)。在設(shè)計(jì)中，異型帶材為滿(mǎn)足纏繞成型的要求，需設(shè)計(jì)出焊接用的搭接邊，聚乙烯擠出成型經(jīng)水冷時(shí)，在自重和水流沖擊作用下搭接邊會(huì)翹曲，而設(shè)計(jì)的搭接邊尺寸將影響翹曲幅度。以往設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，后由帶材試驗(yàn)數(shù)據(jù)調(diào)整設(shè)計(jì)尺寸。由于存在設(shè)計(jì)和加工周期，產(chǎn)品的定型時(shí)間拖的很長(zhǎng)，不僅浪費(fèi)企業(yè)生產(chǎn)資源，還會(huì)影響新產(chǎn)品的研發(fā)進(jìn)度，給企業(yè)帶來(lái)?yè)p失。

ANSYS軟件具有強(qiáng)大的熱變形仿真能力，能夠準(zhǔn)確的模擬熱傳遞的三種基本類(lèi)型：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射，且均可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線(xiàn)性和非線(xiàn)性分析。熱分析還具有熱結(jié)構(gòu)耦合分析能力，設(shè)計(jì)人員通過(guò)建立帶材的截面模型，并分配給增強(qiáng)鋼帶和聚乙烯及外部環(huán)境的熱力學(xué)參數(shù)，能夠在計(jì)算機(jī)上再現(xiàn)帶材冷卻定型時(shí)的截面熱變形，設(shè)計(jì)人員根據(jù)仿真數(shù)據(jù)修正帶材截面尺寸直至符合產(chǎn)品性能要求。由于全部設(shè)計(jì)過(guò)程均在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)周期短，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，加快產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)度和提高產(chǎn)品的使用性能。

3.3 纏繞管的優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖1 ANSYS環(huán)剛度設(shè)計(jì)中的輸出結(jié)果

圖2 塑鋼纏繞管異型帶材截面

圖3 塑鋼纏繞管成品

現(xiàn)有的生產(chǎn)模式是：當(dāng)企業(yè)設(shè)計(jì)一種管道產(chǎn)品并試制成功后，為提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，設(shè)計(jì)人員會(huì)在保證產(chǎn)品使用性能如環(huán)剛度等級(jí)、管材穩(wěn)定性和使用壽命前提下，通過(guò)更合理的管材結(jié)構(gòu)來(lái)降低原材料的用量以提高產(chǎn)品性?xún)r(jià)比。而對(duì)于企業(yè)設(shè)計(jì)部門(mén)來(lái)說(shuō)，這個(gè)優(yōu)化環(huán)節(jié)往往因牽扯到更多部門(mén)如設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和測(cè)試，往往周期更長(zhǎng)且完成難度很大。

圖4 纏繞管帶材成型工藝中的塑變分析

ANSYS自帶的優(yōu)化工具箱就能很好的解決管道結(jié)構(gòu)壁的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，而這些工作均由計(jì)算機(jī)完成。設(shè)計(jì)人員需要首先收集已有產(chǎn)品的使用或測(cè)試數(shù)據(jù)，一般包括結(jié)構(gòu)壁設(shè)計(jì)參數(shù)、環(huán)剛度試驗(yàn)數(shù)據(jù)、材料用量等，并將此類(lèi)數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)變量引入ANSYS，而狀態(tài)變量(也即約束條件)一般為：環(huán)剛度SN、結(jié)構(gòu)壁管的截面尺寸限制條件，而優(yōu)化目標(biāo)設(shè)定為管材的材料體積(需分列鋼帶與聚乙烯，因二者價(jià)格不同)，也可經(jīng)計(jì)算設(shè)定為管材的單價(jià)。為保證優(yōu)化結(jié)果更加可靠，建立的優(yōu)化模型一定按照設(shè)計(jì)圖紙完成。通過(guò)這種方法重新設(shè)計(jì)管材結(jié)構(gòu)，在提高研發(fā)周期前提下顯著的降低了產(chǎn)品成本，給公司帶來(lái)了明顯的效益。

3.4 纏繞管的生產(chǎn)試驗(yàn)

除了設(shè)計(jì)應(yīng)用，華瀚管道還將有限元法運(yùn)用到了管道產(chǎn)品的生產(chǎn)和試驗(yàn)驗(yàn)證中。塑鋼復(fù)合的帶材纏繞成型過(guò)程中會(huì)發(fā)生塑性變形，而這個(gè)變形量的大小除了帶材的設(shè)計(jì)因素，與纏繞成型工藝關(guān)系更加密切。以往因缺乏理論驗(yàn)證和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，致使大口徑的纏繞管出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象，通過(guò)ANSYS的分析，公司很好的解決了問(wèn)題保證新產(chǎn)品按研發(fā)進(jìn)度進(jìn)行，如下圖4所示。

在新產(chǎn)品完成設(shè)計(jì)但未試制前，為驗(yàn)證管道是否滿(mǎn)足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，公司運(yùn)用ANSYS的幫助，在計(jì)算機(jī)上分析管材的沖擊性能、烘箱試驗(yàn)及蠕變，通過(guò)分析結(jié)果來(lái)修正產(chǎn)品存在的設(shè)計(jì)缺陷和不足。

4 結(jié)論

ANSYS是世界上應(yīng)用最廣泛的高級(jí)CAE工具之一，華瀚管道借助其優(yōu)異的有限元分析功能成功解決了管道設(shè)計(jì)和生產(chǎn)難題，比較傳統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)方法優(yōu)勢(shì)非常明顯，不僅縮短研發(fā)周期且大大提高了管道的使用性能和性?xún)r(jià)比。由此我們相信，ANSYS及其他先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法將在管道產(chǎn)品的生產(chǎn)中扮演越來(lái)越重要的角色。

1 小颯工作室，最新經(jīng)典ANSYS及WorkBench教程，第一版，北京：電子工業(yè)出版社，2004.6

2 龔曙光，ANSYS工程應(yīng)用實(shí)例解析，第一版，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.3

3 周毅錦、李永生，波紋管非線(xiàn)性特性的有限元分析，南京：南京化工大學(xué)學(xué)報(bào)，1999.7

It is a trend that plastic underground pipe are gradually replacing steel pipe in the use of drainage, and new structural-wall pipe move quicker,advanced pipe structual design will get much attention from pipe manufacturer. This paper is to expound all advantages of adopting advanced design method for pipe manufacturer through comparision of fi nite element method and traditional calculation method, and indicate that new advanced design technique will push the development of underground pipe.

Steel Reinforced Spirally Wound Polyethylene Drainage Pipe, Ring Stiffness, Thermal Deformation, Optimized Design, Finite Element.