基于ANSYS的塑料化糞池力學分析與加強方案探討

趙 猛，童 薇，高建和，魏春良，周聽昌

（1．揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225127；2．云南普爾頓企業集團，云南 昆明 650106）

0 引言

當下，經濟快速發展、人口急劇膨脹所帶來的各種環境問題，正嚴重影響著城市居民的日常生活，制約了城市的健康發展，因而，“綠色、環保”已成為人們日益關注的話題。隨著政府對城市排水工程的重視，各種新型的排水管道與設備正逐漸進入人們的視野。塑料化糞池就是這樣一種新興的環保埋地裝置，這種產品通常采用聚乙烯、高密度聚乙烯或增強聚丙烯等材料制作而成［1］。在實際的使用中，由于地下環境復雜多變，對于塑料化糞池結構的影響難以預測，因此為了確保其性能，應著重考慮化糞池自身的強度問題。本文以云南普爾頓集團生產的塑料化糞池為基礎，通過增設加固件來探討對其整體性能的影響。

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，可在施工現場按需要組裝成任意規格、任意大小的化糞池。它的投用成功解決了夸砌結構化糞池的滲漏、使用壽命短、運行狀況差、維護困難，以及鋼筋混凝土化糞池造價高、施工周期長等問題。塑料化糞池的尺寸和材料參數分別見表1、表2，塑料化糞池模型如圖1所示。

2 有限元分析

2．1 模型處理及單元劃分

建立好的化糞池三維模型結構較為復雜，且在理想狀況下任意對側的載荷均對稱，為了減少計算量，對模型進行簡化，即選取模型的1／4進行分析，導入ANSYS劃分網格后如圖2所示。劃分網格時采用8節點的Solid45單元，每個節點有沿著X、Y、Z三個方向平移的自由度，單元具有塑性、大變形、大應變的能力［2］。在低于屈服應力的條件下化糞池基本處于彈性變形范圍內，可將材料的變形看作各向同性的線性變形，分析時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

圖1 塑料化糞池模型

圖2 塑料化糞池有限元模型

2．2 設置約束

在實際安裝時，需要在化糞池底部鋪設褥墊層，因此首先對其下半部外壁面和肋板上的節點施加約束。在平行于YOZ的面上節點施加X方向約束，平行于XOZ的面上節點施加Y方向約束，平行于XOY的面上節點施加Z方向約束；其次，由于選取了模型的1／4進行計算，所以還需要在Y、Z方向的截面上施加對稱約束。

2．3 施加載荷

根據相關技術規程［5］可知，排水工程管道、檢查井等結構上的載荷分為永久載荷和可變載荷兩類，本文在計算模型時只考慮作用在其上的永久載荷，包括豎向土壓、土壤側壓力、土壤下曳力、內部水壓力，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

單位長度上的豎向土壓Fsv，k（kN／m）按下式計算：

其中：γs為回填土的重度，kN／m3，這里取18kN／m3；Hs為筒頂至計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向土壓力為Fep，k（kN／m2），其標準值按下式計算：

其中：Ka為主動土壓力系數，對砂土或粉土可取1／3，對黏土可取1／3～1／4，此處取1／3；Z為自地面至計算截面處的深度，m。

沿化糞池外壁切線方向單位面積上的下曳力為TA（kPa），其標準值按下式計算：

其中：Fep，k1為作用在化糞池頂部井壁上的側壓力標準值，kPa；Fep，k2為作用在化糞池底部井壁上的側壓力標準值，kPa；μ為化糞池外壁與回填土之間的摩擦系數。

2．4 計算結果

有限元分析時，按照與實際安裝時相同的步驟分6種工況進行計算：①化糞池中注水一半，筒外鋪設0．5m褥墊層；②化糞池中注滿水，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時化糞池的應力、變形情況，詳細的工況①～工況⑥的應力、變形值見表3。

由圖4和表1中數據可知，化糞池在覆土2m，即安裝完畢后的應力值和變形值均較大，且危險點出現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支撐裝置，以提高化糞池的強度。

2．5 加強計算

加強方案選擇在3個不同位置對稱地增設鋼桿，分析比較不同方案對化糞池結構性能的影響，圖5為原模型和3個不同加強方案的模型圖。

對新建立的模型依然按照6種工況進行計算，圖6～圖8為3種模型在覆土2m時的應力、變形云圖。

圖4 化糞池覆土2m時最大應力和最大變形

表3 模型在6種工況下的計算結果

圖5 化糞池原模型及加強方案模型圖

圖6 方案一覆土2m最大應力和最大變形

將計算得到的數據生成曲線，如圖9所示。從圖9中對比可以看出：方案一在覆土2m時最大應力在4種模型中最小，其最大位移也相對較小；方案二在覆土2m時最大位移在4種模型中最小，其最大應力也相對較小；方案三沒有實現加強的效果。因此在今后的實際優化工作中，可以參考一、二兩種方案對化糞池設置支撐，以增加其結構強度。

圖7 方案二覆土2m最大應力和最大變形

圖8 方案三覆土2m最大應力和最大變形

3 結論

根據實際安裝步驟，運用有限元軟件，計算得出了塑料化糞池在不同覆土深度下的應力及變形情況。在確定了危險區域后，針對性地實施加強方案，初步探討了增設支撐對模型整體性能的影響，分析結果對比得出了較優的方案，為今后塑料化糞池的結構改進奠定了基礎。

圖9 各方案最大應力、最大變形隨覆土深度變化曲線

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

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

［3］ 喬生儒．復合材料細觀力學性能［M］．西安：西北工業大學出版社1997．

［4］ 周友坤，程赫明，李又村．聚合物基復合材料檢查井蓋結構的有限元優化設計［J］．昆明冶金高等專科學校學報，2007，23（5）：16－20．

［5］ 云南省市政工程質量檢測站．DBJ 53／T－25－2010塑料排水檢查井應用技術規程［S］．昆明：云南科技出版社，2010：8－11．