基于ABAQUS 有限元分析的聚合物井蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化

許淮河，黃春環(huán)，葉子龍，林雨鵬，蔡捷鴻，李靈聰

（韶關(guān)學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院， 廣東 韶關(guān)512005）

檢查井蓋在人們的日常生活中非常常見，材質(zhì)大多數(shù)為鋼筋混凝土和鑄鐵，少數(shù)為塑料或復(fù)合材料.鑄鐵井蓋存在鋼鐵原料價格昂貴、能源消耗大而且產(chǎn)生污染、容易被偷盜造成安全隱患、露天情況下易生銹等一系列的缺點.而優(yōu)質(zhì)的聚合物檢查井蓋具有回收價值低不易被盜、環(huán)保并且耐腐蝕、維護方便、絕緣防靜電可以滿足特殊場合使用、可以配合環(huán)境調(diào)節(jié)顏色等多種優(yōu)點，還可以美化周邊環(huán)境、提高城市品位［1-3］.

本文提出利用PC-ABS 合金材料制備聚合物井蓋的設(shè)想.利用有限元軟件ABAQUS 設(shè)計了魚肚型和加肋型兩種聚合物井蓋，對其受力情況進行分析，同時優(yōu)化井蓋結(jié)構(gòu)，為將來聚合物材料在聚合物井蓋中的應(yīng)用提供一定的參考.

1 ABAQUS 有限元分析

有限元法的基本思想以及概念在20 世紀40 年代初期提出，有限元法這一名詞的出現(xiàn)最早使用于1960年美國的克拉夫（Clough R W）所發(fā)表的一篇名為“平面應(yīng)力分析的有限元法”的論文［4］.隨著計算機的出現(xiàn)及發(fā)展，計算速度的大幅度提升，有限元法逐漸應(yīng)用到工程實驗當中.

有限元法或稱為有限單元法是現(xiàn)在解決工程、數(shù)學(xué)、物理等問題中使用最為廣泛的數(shù)值計算方法［5］.有限元法就是一種有效的數(shù)值求解方法，它的求解結(jié)果是連續(xù)體內(nèi)多個離散點未知量的近似數(shù)值.

ABAQUS 有限元分析軟件具有強大的模擬功能，是目前相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用最廣的有限元軟件之一.ABAQUS的分析過程中主要有前處理、分析計算以及后處理3 個步驟［6］.ABAQUS 軟件不僅能夠?qū)Χ辔锢韴龊蛦我涣慵牧W(xué)進行分析，而且可以完成許多復(fù)雜的非線性問題的研究和分析.

2 應(yīng)用ABAQUS 進行井蓋設(shè)計及分析

2.1 井蓋等級分類

分布在城市道路不同地方的檢查井蓋，所承受的荷載也是不一樣的.井蓋設(shè)施［7］按照檢查井蓋的承壓能力將其分以下6 個等級：A15、B125、C250、D400、E600、F900，不同等級井蓋適用于不同的區(qū)域.

2.2 井蓋尺寸、檢驗方法標準

本文以塑料回收中性能較優(yōu)的ABS-PC 合金為材料，以B125 型聚合物檢查井蓋為模板進行設(shè)計和分析.該材料的彈性模量E＝2.41×103MPa，泊松比μ＝0.389 7.檢查井蓋國家標準［8］對井蓋試驗載荷與嵌入深度做了規(guī)定，見表2.

表2 井蓋試驗載荷與嵌入深度國家標準

B125 井蓋的嵌入深度應(yīng)≥30 mm，即蓋板的厚度≥30 mm；試驗載荷為125 kN，施加力的形式是在井蓋上部以井蓋中心點為圓心、以250 mm 為直徑的圓面上施加均勻面載荷.

2.3 模擬方案設(shè)計

目前市面上生產(chǎn)的井蓋產(chǎn)品主要為魚肚型和加肋型［9］兩種結(jié)構(gòu)，如圖1 和圖2 所示.

圖1 魚肚型井蓋

圖2 加肋型井蓋

井蓋蓋板厚度(即嵌入深度)為50 mm，直徑660 mm，通過改變魚肚結(jié)構(gòu)的厚度，分別設(shè)置魚肚厚度為0、10、20、30、40、50、60、70、80 mm 共10 組，分析魚肚厚度對井蓋力學(xué)性能的影響.分別設(shè)置肋條寬度為60、80、100 mm 3 組，每組寬度對應(yīng)20、40、60、80 mm 4 組不同厚度，分析肋條寬度和厚度對井蓋力學(xué)性能的影響.

2.4 方案模擬結(jié)果分析

分別通過旋轉(zhuǎn)和拉伸的方法生成魚肚型井蓋和加助型井蓋的模型，然后賦予材料屬性以及設(shè)定荷載類型、荷載大小、邊界條件、相互作用等步驟，劃分網(wǎng)格時先對模型進行分割再進行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，使得單元更加規(guī)整，用有限元軟件進行模擬時，按B125 試驗載荷125 kN 換算成面載荷為q＝2.547 MPa，在模擬時將井蓋表面應(yīng)有的防滑花紋忽略.

通過ABAQUS 軟件對2.3 中的設(shè)計方案進行模擬可以得到各組參數(shù)井蓋的最大應(yīng)力以及形變位移.圖3 和圖4 是魚肚型和加肋型井蓋的應(yīng)力云圖和位移云圖，可以看出魚肚型井蓋的最大應(yīng)力主要集中在魚肚結(jié)構(gòu)的中心部位，加肋型井蓋的最大應(yīng)力主要集中在肋條上并且蓋板上的應(yīng)力明顯降低.結(jié)果顯示兩種結(jié)構(gòu)的聚合物井蓋均能承受B125 類井蓋最低載荷而不發(fā)生明顯破壞，井蓋形變較小，說明PC-ABS合金能夠滿足B125 類檢查井蓋的性能要求，具備一定的應(yīng)用潛力.

圖3 魚肚型井蓋應(yīng)力、位移云圖

圖4 加肋型井蓋應(yīng)力、位移云圖

根據(jù)圖5 井蓋最大應(yīng)力與魚肚厚度之間的關(guān)系以及圖6 井蓋最大位移與魚肚厚度之間的關(guān)系，可以看出魚肚結(jié)構(gòu)能夠明顯的增加井蓋的力學(xué)性能.隨著魚肚結(jié)構(gòu)厚度的增加，在相同的測試條件下井蓋的最大應(yīng)力以及最大位移明顯下降，但是在魚肚結(jié)構(gòu)厚度增加到30~40 mm 之后井蓋的最大應(yīng)力與最大位移變化與開始相比較為緩慢， 所以魚肚型井蓋在魚肚結(jié)構(gòu)厚度到一定程度后對井蓋的力學(xué)性能影響較小，繼續(xù)通過加大魚肚結(jié)構(gòu)的厚度來提升井蓋力學(xué)性能效果并不明顯且成本加大.

圖5 井蓋最大應(yīng)力與魚肚厚度的關(guān)系

圖6 井蓋最大位移與魚肚厚度的關(guān)系

圖7 和圖8 中s 為井蓋肋條寬度，從3 種寬度不同厚度肋條對加肋型井蓋蓋板最大應(yīng)力的影響（圖7）以及3 種寬度不同厚度肋條對蓋板最大位移的影響（圖8）可以得到肋條的厚度能夠明顯加強井蓋的力學(xué)性能，降低井蓋蓋板的最大應(yīng)力與最大位移，但是在肋條厚度增加到60 mm 左右時，繼續(xù)增加肋條厚度對力學(xué)性能的改善作用較之前并不明顯；肋條的寬度增加也能夠加強井蓋的力學(xué)性能，但是與增加肋條厚度相比，增加肋條寬度對井蓋力學(xué)性能加強效果略差.

圖7 3 種寬度不同厚度肋條對蓋板最大應(yīng)力的影響

圖8 3 種寬度不同厚度肋條對蓋板最大位移的影響

3 結(jié)論

使用有限元軟件ABAQUS 模擬優(yōu)化以ABS-PC 合金為材料的聚合物井蓋的力學(xué)性能， 設(shè)計的兩種結(jié)構(gòu)井蓋均能承受B125 型聚合物檢查井蓋規(guī)定載荷，達到檢查井蓋國家標準要求，具有一定的應(yīng)用潛力.分析結(jié)果顯示魚肚結(jié)構(gòu)厚度的增加能夠增加井蓋力學(xué)性能，但厚度增加到一定程度，井蓋力學(xué)性能變化不明顯，魚肚厚度在40 mm 時綜合性能較優(yōu)且用料較少.加肋型井蓋的肋條厚度和寬度增加都能提高井蓋的力學(xué)性能，肋條的厚度比寬度對提升力學(xué)性能的作用更大，肋條厚度在60 mm 左右時，井蓋力學(xué)性能較為優(yōu)異且用料較少.利用有限元軟件指導(dǎo)聚合物井蓋制品結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法，可以達到井蓋性能與經(jīng)濟的均衡，為實際生產(chǎn)過程中井蓋的設(shè)計和制造提供參考.