基于ANSYS塑料檢查井井壁加筋結構仿真分析

蔣佳駿 吳張永 王文菊

摘 ?要： 塑料檢查井埋入地下后會受多種載荷影響，若井壁沒有足夠的強度和剛度常導致變形，嚴重時甚至斷裂，大大降低檢查井工作性能。此外，檢查井受到路面車輛等造成的激振作用，若發(fā)生共振現(xiàn)象，易造成疲勞損傷。針對此，本文提出6種加筋方案，對埋深5 m的井壁結構進行受力分析，利用ANSYS軟件對不同加筋結構進行靜力仿真，對滿足指標要求的兩種網狀加筋結構進行6階模態(tài)分析。分析結果表明：加筋方案有利于提高塑料檢查井井壁的強度和剛度，且在相同加筋密度下網狀加筋優(yōu)于條狀加筋，三角形肋板優(yōu)于方形肋板，其中三角形網狀加筋方案對井壁剛度和強度的提升最明顯;三角形網狀加筋結構和方形網狀加筋結構的固有頻率均避開外界激振頻率范圍。

關鍵詞： 人塑料檢查井;ANSYS;加筋結構;靜力分析;模態(tài)分析

中圖分類號： TU992 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.06.033

本文著錄格式：蔣佳駿，吳張永，王文菊，等. 基于ANSYS塑料檢查井井壁加筋結構仿真分析[J]. 軟件，2020，41（06）：158163

【Abstract】： When the plastic inspection well is buried in the ground， it will be affected by various loads. If the wall ?of the well does not have enough strength and rigidity， it will often lead to deformation， even fracture， which greatly reduces the working performance of the inspection well. In addition， if the inspection well is excited by the road vehicles， it is easy to cause fatigue damage if resonance occurs. In view of this， this paper puts forward six kinds of reinforcement schemes， analyzes the stress of the shaft wall structure with a depth of 5 m， makes static simulation of different reinforced structures with ANSYS software， and makes 6-order modal analysis of two kinds of mesh reinforced structures that meet the requirements of the index. The results show that the reinforcement scheme is beneficial to improve the strength and rigidity of the plastic inspection well wall， and the mesh reinforcement is better than the strip reinforcement under the same reinforcement density， and the triangular rib is better than the square rib， among which the triangular mesh reinforcement scheme is the most obvious to improve the rigidity and strength of the well wall; the natural frequencies of the triangular mesh reinforcement structure and the square mesh reinforcement structure are kept away from the outside Excitation frequency range.

【Key words】： Plastic inspection well; ANSYS; Reinforced structure; Static analysis; Modal analysis

0 ?引言

檢查井是設置在地下管道交叉處、轉彎處、管徑或坡度改變處等，便于定期檢查、清潔和疏通地下管道的附屬構筑物[1]。塑料檢查井是一種新型檢查井，相較于傳統(tǒng)磚砌檢查井，具有耐候性強、密封性好、便于清通、環(huán)保節(jié)能等優(yōu)點，目前市場上已有較廣泛的應用[2-3]。

塑料檢查井在使用過程中受到多種載荷的作用，若無足夠的強度和剛度，易出現(xiàn)變形、斷裂等，嚴重影響檢查井的性能，其失效形式如圖1所示。

為改善塑料檢查井結構的力學性能，滿足使用要求和延長其使用壽命等[4]，國內一些學者對此進行了研究，如：周揚、周國慶等[5]對塑料板夾層雙層井壁的軸對稱變形進行分析，得到內外壁厚對井壁安全性的影響;宋佳等[6]對增強塑料埋地結構進行了有限元分析;張偉，魏若奇等[7]對塑料檢查井結構完整性進行了分析研究。

本文在盡可能節(jié)約材料、降低成本的前提下，針對如何提高塑料檢查井井壁的力學性能，提出加筋方案，探討不同肋板形狀和加筋形式對塑料檢查井井壁力學性能的影響。

1 ?塑料檢查井井壁受力分析

埋于地下的塑料檢查井主要受到徑向力、軸向力、剪切力等多種力的共同作用，不同類型的力對塑料檢查井產生不同的影響。

1.1 ?塑料檢查井井壁所受徑向載荷的計算

埋于地下的塑料檢查井，受到土壤的擠壓和地下水造成的靜液壓產生徑向載荷。徑向載荷過大會使塑料檢查井井壁發(fā)生環(huán)向應變，若應變值超過塑料材料的極限值，井壁會發(fā)生嚴重變形甚至斷裂，嚴重影響塑料檢查井的使用性能[8]。

2 ?加筋方案

2.1 ?塑料檢查井加筋方案

為提升塑料檢查井井壁的剛度和強度，加厚井壁是最直接、簡單的方案。但直接加厚會消耗較多的原材料，導致檢查井的自重增大，增加生產和安裝成本。在塑料檢查井的設計環(huán)節(jié)，為減輕井體的重量、提升產品經濟效益，在確保剛度與強度達到設計要求的前提下，提出一種減小井壁厚度并采用加筋的方案[10]。

結構加筋按照形式可分為條狀筋、網狀筋、蜂巢狀筋等，如圖4所示。其中，條狀筋加工工藝簡單，成本較低，但提升井壁強度的能力有限。網狀筋較條狀筋能夠更好的提升檢查井結構的力學性能。蜂窩狀筋的承受力較強，但模具的制造工藝 ? 復雜，加工成本較高，本文不做考慮。本文對條狀和網狀加筋塑料檢查井的應力應變情況進行對比 ?分析。

井壁加筋按照加筋位置可分為外壁加筋和內壁加筋。內壁加筋相較于外壁加筋，其埋入地下時所受載荷更加均勻，但內壁加筋的加工工藝較為復雜，并且會影響檢查井內部的流場性能。此外，塑料檢查井由于其重量輕、材料密度低等特點，在設計時需考慮抗浮措施。由式（3）可知，采用外壁加筋會增加井土間摩擦系數(shù)，使下拽力增大，能夠提升 ? 塑料檢查井的抗浮性能，因此，本文采用外壁加筋方案。

2.2 ?肋板尺寸設計

肋板形狀和尺寸對于加筋后的力學性能有較大影響，本文提供方形肋板和三角形肋板兩種方案，并適當加厚井底。方形肋板主要尺寸如圖5所示，取L=A=t。

相對于方形肋板，三角形肋板的尺寸更小，在性能相似的情況下，更加節(jié)省材料。三角形肋板主要尺寸如圖6所示。

其中，t為檢查井壁厚度;L為肋板高度，取L=（1～3）t;A為肋板寬度，取A=（0.25～1）t;R為肋根圓角，?。?.125～0.25）t;α為收縮角;r為頂部圓角，取r=0.125t[11]。跟據(jù)計算得到肋板尺寸如表1所示。

3 ?塑料檢查井靜態(tài)分析

3.1 ?塑料檢查井材料參數(shù)設置

按照材料的力學性能在ANSYS中設置材料參數(shù)。本文研究的塑料檢查井采用高密度聚乙烯（HDPE）材料，采用模擠熱壓工藝，其力學參數(shù)如表2所示。

3.2 ?塑料檢查井有限元模型

跟據(jù)本文研究的某規(guī)格塑料檢查井建立的有限元模型如圖7所示。

網格采用實體六面體單元，網格劃分質量檢查結果為0.25～1，平均值>0.7。

3.3 ?約束載荷施加

塑料檢查井由承壓蓋板固定，因此，將檢查井與承壓圈連接部分的節(jié)點設置固定約束。

表3為某規(guī)格塑料檢查井尺寸參數(shù)。跟據(jù)受力分析可知，檢查井徑向載荷可跟據(jù)式（1）、式（2）計算，軸向載荷可跟據(jù)式（3）～式（5）算。

3.4 ?計算結果與分析

求解得到某規(guī)格塑料檢查井未加筋時的位移和應力云圖如圖8所示。由位移云圖可知，檢查井的變形最大位置位于井底中心，變形量為0.60 mm，變形率為5.0%。由應力云圖可知，檢查井應力最大位置位于井底與側壁連接處，最大應力值為17.67 MPa。

求解得到某規(guī)格塑料檢查井加網狀筋的位移云圖和應力云圖如圖9所示。由位移云圖可知，檢查井的變形最大位置位于井底中心，變形量為0.43 mm，變形率為1.8%。由應力云圖可知，檢查井應力最大位置位于井底與側壁連接處，最大應力值為2.75 MPa。

同理將其他加筋形式計算結果整理后，繪制表格如表4所示。

由HDPE的材料參數(shù)和《塑料排水檢查井應 ?用技術規(guī)程》[12]可知評價指標：許用應力值為 ? 24.2 MPa，變形率≤2%。

結果分析如下：

（1）在側壁未加筋、底部未加厚的情況下，檢查井的最大應力值為17.67 MPa接近材料的許用應力值，且變形率超出了指標要求。

（2）加筋方案有利于提高塑料檢查井的強度和剛度，且在相同加筋密度下，網狀加筋優(yōu)于條狀加筋，三角形肋板優(yōu)于方形肋板。

（3）三角形網狀加筋方案和方形網狀加筋方案滿足指標要求。其中，三角形網狀加筋方案的最大應力值為2.75 MPa，相較于方形網狀加筋降低了5.95 MPa，遠小于HDPE材料的許用應力，且三 ? 角形網狀加筋方案的最大變形率也更小，表明三角形網狀加筋方案對檢查井強度和剛度的提升效果 ?最佳。

4 ?網狀加筋結構模態(tài)分析

路面行駛的車輛會對檢查井產生動載荷，此外停在井蓋上方的車輛在怠速時，會對檢查井造成動態(tài)激振。為降低因振動導致的檢查井結構疲勞破壞，進一步提升產品的使用壽命，對兩種網狀加筋形式的塑料檢查井結構進行6階模態(tài)分析。

4.1 ?模態(tài)分析計算結果顯示

材料參數(shù)設置和約束載荷施加與3.1、3.2、3.3所述一致。求解后將計算結果整理繪制表5。

目前，國內小汽車多采用4缸四沖程汽油發(fā)動機，重型貨車、自卸車、工程車輛等多采用6缸或8缸的四沖程柴油發(fā)動機。汽油發(fā)動機怠速轉速在700-900 r/min，柴油發(fā)動機怠速轉速在500-800 r/min。跟據(jù)式（8）可計算出車輛的怠速激振頻率范圍為23-53 Hz。

由上述計算可知外界激振頻率范圍為0-3.3 Hz、23-53 Hz。分析表5可知，兩種網狀加筋結構固有頻率范圍均避開外界激振頻率范圍，因此不會發(fā)生共振現(xiàn)象。

5 ?結論

（1）本對埋于地下的塑料檢查井井壁進行受力分析，總結徑向載荷和軸向載荷的計算式。

（2）利用ANSYS軟件計算埋深5米的不同塑料檢查井井壁加筋結構的最大應力值和最大變形量。結果表明：加筋有利于提高塑料檢查井的強度和剛度，其中三角形網狀加筋方案和方形網狀加筋方案滿足指標要求，且三角形網狀加筋方案對檢查井剛度和強度的提升最明顯;在相同加筋密度下，網狀加筋優(yōu)于條狀加筋，三角形肋板優(yōu)于方形肋板。

（3）對三角形網狀加筋結構和方形網狀加筋結構進行6階模態(tài)分析，結果表明：兩種網狀加筋結構的固有頻率均避開外界激勵頻率范圍，不會產生共振現(xiàn)象。

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