基于ANSYS的塑料化糞池力學(xué)分析與加強(qiáng)方案探討

趙 猛，童 薇，高建和，魏春良，周聽(tīng)昌

（1．揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2．云南普爾頓企業(yè)集團(tuán)，云南 昆明 650106）

0 引言

當(dāng)下，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、人口急劇膨脹所帶來(lái)的各種環(huán)境問(wèn)題，正嚴(yán)重影響著城市居民的日常生活，制約了城市的健康發(fā)展，因而，“綠色、環(huán)保”已成為人們?nèi)找骊P(guān)注的話(huà)題。隨著政府對(duì)城市排水工程的重視，各種新型的排水管道與設(shè)備正逐漸進(jìn)入人們的視野。塑料化糞池就是這樣一種新興的環(huán)保埋地裝置，這種產(chǎn)品通常采用聚乙烯、高密度聚乙烯或增強(qiáng)聚丙烯等材料制作而成［1］。在實(shí)際的使用中，由于地下環(huán)境復(fù)雜多變，對(duì)于塑料化糞池結(jié)構(gòu)的影響難以預(yù)測(cè)，因此為了確保其性能，應(yīng)著重考慮化糞池自身的強(qiáng)度問(wèn)題。本文以云南普爾頓集團(tuán)生產(chǎn)的塑料化糞池為基礎(chǔ)，通過(guò)增設(shè)加固件來(lái)探討對(duì)其整體性能的影響。

1 建立塑料化糞池模型

本文分析的化糞池是通過(guò)注塑工藝一次成型組件，采用螺栓法蘭連接方式，可在施工現(xiàn)場(chǎng)按需要組裝成任意規(guī)格、任意大小的化糞池。它的投用成功解決了夸砌結(jié)構(gòu)化糞池的滲漏、使用壽命短、運(yùn)行狀況差、維護(hù)困難，以及鋼筋混凝土化糞池造價(jià)高、施工周期長(zhǎng)等問(wèn)題。塑料化糞池的尺寸和材料參數(shù)分別見(jiàn)表1、表2，塑料化糞池模型如圖1所示。

2 有限元分析

2．1 模型處理及單元?jiǎng)澐?/h3>

建立好的化糞池三維模型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且在理想狀況下任意對(duì)側(cè)的載荷均對(duì)稱(chēng)，為了減少計(jì)算量，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，即選取模型的1／4進(jìn)行分析，導(dǎo)入ANSYS劃分網(wǎng)格后如圖2所示。劃分網(wǎng)格時(shí)采用8節(jié)點(diǎn)的Solid45單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有沿著X、Y、Z三個(gè)方向平移的自由度，單元具有塑性、大變形、大應(yīng)變的能力［2］。在低于屈服應(yīng)力的條件下化糞池基本處于彈性變形范圍內(nèi)，可將材料的變形看作各向同性的線性變形，分析時(shí)僅考慮材料的彈性變形［3，4］。

表1 塑料化糞池主要尺寸 mm

表2 材料參數(shù)

圖1 塑料化糞池模型

圖2 塑料化糞池有限元模型

2．2 設(shè)置約束

在實(shí)際安裝時(shí)，需要在化糞池底部鋪設(shè)褥墊層，因此首先對(duì)其下半部外壁面和肋板上的節(jié)點(diǎn)施加約束。在平行于YOZ的面上節(jié)點(diǎn)施加X(jué)方向約束，平行于XOZ的面上節(jié)點(diǎn)施加Y方向約束，平行于XOY的面上節(jié)點(diǎn)施加Z方向約束；其次，由于選取了模型的1／4進(jìn)行計(jì)算，所以還需要在Y、Z方向的截面上施加對(duì)稱(chēng)約束。

2．3 施加載荷

根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)程［5］可知，排水工程管道、檢查井等結(jié)構(gòu)上的載荷分為永久載荷和可變載荷兩類(lèi)，本文在計(jì)算模型時(shí)只考慮作用在其上的永久載荷，包括豎向土壓、土壤側(cè)壓力、土壤下曳力、內(nèi)部水壓力，化糞池受力分布情況如圖3所示。

圖3 化糞池受力分布情況

單位長(zhǎng)度上的豎向土壓Fsv，k（kN／m）按下式計(jì)算：

其中：γs為回填土的重度，kN／m3，這里取18kN／m3；Hs為筒頂至計(jì)算截面的的覆土高度，m；D1為筒體外徑，m。

作用在化糞池上的側(cè)向土壓力為Fep，k（kN／m2），其標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算：

其中：Ka為主動(dòng)土壓力系數(shù)，對(duì)砂土或粉土可取1／3，對(duì)黏土可取1／3～1／4，此處取1／3；Z為自地面至計(jì)算截面處的深度，m。

沿化糞池外壁切線方向單位面積上的下曳力為T(mén)A（kPa），其標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算：

其中：Fep，k1為作用在化糞池頂部井壁上的側(cè)壓力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；Fep，k2為作用在化糞池底部井壁上的側(cè)壓力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；μ為化糞池外壁與回填土之間的摩擦系數(shù)。

2．4 計(jì)算結(jié)果

有限元分析時(shí)，按照與實(shí)際安裝時(shí)相同的步驟分6種工況進(jìn)行計(jì)算：①化糞池中注水一半，筒外鋪設(shè)0．5m褥墊層；②化糞池中注滿(mǎn)水，回填土至化糞池頂部；③覆土0．5m；④覆土1m；⑤覆土1．5m；⑥覆土2m。

圖4是覆土為2m時(shí)化糞池的應(yīng)力、變形情況，詳細(xì)的工況①～工況⑥的應(yīng)力、變形值見(jiàn)表3。

由圖4和表1中數(shù)據(jù)可知，化糞池在覆土2m，即安裝完畢后的應(yīng)力值和變形值均較大，且危險(xiǎn)點(diǎn)出現(xiàn)在模型上部收口處附近，因此為了確保其性能，可以考慮在此處增設(shè)支撐裝置，以提高化糞池的強(qiáng)度。

2．5 加強(qiáng)計(jì)算

加強(qiáng)方案選擇在3個(gè)不同位置對(duì)稱(chēng)地增設(shè)鋼桿，分析比較不同方案對(duì)化糞池結(jié)構(gòu)性能的影響，圖5為原模型和3個(gè)不同加強(qiáng)方案的模型圖。

對(duì)新建立的模型依然按照6種工況進(jìn)行計(jì)算，圖6～圖8為3種模型在覆土2m時(shí)的應(yīng)力、變形云圖。

圖4 化糞池覆土2m時(shí)最大應(yīng)力和最大變形

表3 模型在6種工況下的計(jì)算結(jié)果

圖5 化糞池原模型及加強(qiáng)方案模型圖

圖6 方案一覆土2m最大應(yīng)力和最大變形

將計(jì)算得到的數(shù)據(jù)生成曲線，如圖9所示。從圖9中對(duì)比可以看出：方案一在覆土2m時(shí)最大應(yīng)力在4種模型中最小，其最大位移也相對(duì)較小；方案二在覆土2m時(shí)最大位移在4種模型中最小，其最大應(yīng)力也相對(duì)較小；方案三沒(méi)有實(shí)現(xiàn)加強(qiáng)的效果。因此在今后的實(shí)際優(yōu)化工作中，可以參考一、二兩種方案對(duì)化糞池設(shè)置支撐，以增加其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖7 方案二覆土2m最大應(yīng)力和最大變形

圖8 方案三覆土2m最大應(yīng)力和最大變形

3 結(jié)論

根據(jù)實(shí)際安裝步驟，運(yùn)用有限元軟件，計(jì)算得出了塑料化糞池在不同覆土深度下的應(yīng)力及變形情況。在確定了危險(xiǎn)區(qū)域后，針對(duì)性地實(shí)施加強(qiáng)方案，初步探討了增設(shè)支撐對(duì)模型整體性能的影響，分析結(jié)果對(duì)比得出了較優(yōu)的方案，為今后塑料化糞池的結(jié)構(gòu)改進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。

圖9 各方案最大應(yīng)力、最大變形隨覆土深度變化曲線

［1］ 曾娜，肖銳．室外排水新產(chǎn)品的應(yīng)用前景［J］．甘肅科技，2010，26（18）：156－157，204．

［2］ 李黎明．ANSYS有限元分析實(shí)用教程［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2005．

［3］ 喬生儒．復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)性能［M］．西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社1997．

［4］ 周友坤，程赫明，李又村．聚合物基復(fù)合材料檢查井蓋結(jié)構(gòu)的有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］．昆明冶金高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)，2007，23（5）：16－20．

［5］ 云南省市政工程質(zhì)量檢測(cè)站．DBJ 53／T－25－2010塑料排水檢查井應(yīng)用技術(shù)規(guī)程［S］．昆明：云南科技出版社，2010：8－11．