基于ANSYS的透明砂水槽靜力學分析

吳俊輝，倪福生，楊建，顧磊

（1.河海大學機電工程學院，江蘇常州213022;2.河海大學疏浚技術教育部工程研究中心，江蘇 常州213022;3.南京長峰航天電子科技有限公司，江蘇南京 210000）

0 引言

疏浚業的蓬勃發展對疏浚設備的研發和疏浚技術的進步提出了更高的要求。目前，國內外一般采用砂水槽來模擬河道，盛放疏浚土壤，用以研究不同的施工參數對疏浚產量的影響［1］。這些砂水槽一般采用鋼筋混凝土結構，雖然成本低廉、搭建簡單，但是其可視性差，不便于觀察絞刀周圍泥砂運動情況。因此，河海大學疏浚實驗室搭建透明砂砂水槽實驗平臺，用PIV記錄泥砂粒子的運動過程，既提高了精度，又便于實驗觀察。

透明砂水槽承載時，受到水和泥砂的梯度載荷，且由于水和泥砂密度不同，該梯度載荷斜率也不同，這就給受力分析工作帶來了不便。此外，玻璃與鋼結構之間的力學模型處理也是一個難點。在傳統的設計計算中，由于難以采用合適的計算模型，計算其應力分布相對困難，為了安全起見，往往采用較保守的計算方法，使得結構尺寸過大，大幅增加了建造成本。隨著有限元技術的發展，有限元數值分析方法在設計生產中得到了越來越多的應用，采用有限元分析方法，利用三維實體模型可以真實的模擬復雜區域的載荷及邊界條件，并計算出最接近真實條件的應力變形分布情況［2］。

1 有限元模型的建立

透明砂水槽總長9 m，寬1.8 m，高2.2 m，主要由混凝土結構、鋼結構框架和鋼化玻璃三個部分組成。鋼結構之間采用焊接，鋼結構與鋼化玻璃之間采用玻璃膠粘接，并用壓板壓緊。

目前各個CAD/CAM軟件彼此之間的模型通用性較差，在導入過程中經常發生部分模型數據丟失的情況［3］，通過操作ANSYS GUID（圖形用戶界面）進行建模。鋼化玻璃在其承載范圍之內，其應力應變關系符合彈性材料的線性曲線，因此所有材料均按彈性材料處理［4］。

鋼結構和鋼化玻璃厚度不大（相對于長寬方向），且變形以翹曲為主，采用shell63單元進行建模。共劃分了93 937個節點，92534個單元。網格劃分后的模型如圖1所示。

圖1 透明砂水槽有限元模型

約束條件:鋼結構框架底部都預埋在了鋼筋混凝土中，鋼結構框架的六個自由度被完全限制。鋼化玻璃通過玻璃膠與鋼結構緊密貼合，并用壓塊壓緊，本文將此連接耦合為固結，其六個自由度也被完全限制。

2 透明砂水槽靜力學分析

2.1 砂水槽所用材料及載荷分布

砂水槽主體結構由#20、#16槽鋼及鋼化玻璃構成。其中，砂水槽兩端兩塊玻璃尺寸為1 800 mm×1 150 mm，其余玻璃尺寸為1 500 mm×1 150 mm，為了保證砂水槽的密封性，玻璃與周邊框架搭載寬度為100 mm。

為了研究鋼結構和鋼化玻璃在最大裝載量時的應力、變形是否在其允許范圍之內，本文選取砂水槽最大裝載量的情況進行分析，即:砂水槽水位1.1 m，其中水深0.3 m，槽底泥砂高為0.8 m。所受載荷主要是由水壓和泥砂的靜壓力產生的面載荷，因此根據水和泥砂的不同密度，定義了不同斜率的梯度載荷。

玻璃厚度初選10 mm，透明砂水槽應力及變形云圖分別如圖2（a）及圖2（b）所示。顏色的深淺表示結構中不同的應力、變形。

圖2 砂水槽和應力變形云圖

2.2 應力分析

對圖2（a）結果進行分析可知，水和泥砂對砂水槽內表面施加的是梯度載荷，沿－y方向，砂水槽內表面受到的壓力逐漸增大，且鋼結構底部預埋在了混凝土中，其自由度被完全約束，應力最大值出現在鋼結構框架底部為106 MPa，遠小于槽鋼的許用應力 215 MPa［5］。

由于鋼化玻璃的許用應力遠小于槽鋼的許用應力，本文對鋼化玻璃上的應力進行了校核，以確保其最大應力在許用范圍之內。

長期荷載作用下玻璃強度設計值可按下式計算［6］:

式中:c1—玻璃種類系數;c2—玻璃強度位置系數;c3—荷載類型系數;c4—玻璃厚度系數;f0—短期荷載作用下，平板玻璃中部強度設計值，取28 MPa。

根據圖2（b）結果可知鋼化玻璃上的最大應力約為34.1 MPa，已經超出了鋼化玻璃的強度設計值約21%。

2.3 變形分析（圖3）

對圖3（a）結果進行分析可知，由于鋼化玻璃四邊皆與鋼結構貼合，其四周被完全約束，且由于施加的是梯度載荷，沿－y方向越來越大，故砂水槽最大變形出現在鋼化玻璃的中偏下位置處。局部放大圖如圖3（b）所示。

圖3 變形云圖

根據《建筑玻璃應用技術規程》規定承受水壓時，四邊支撐型鋼化玻璃的變形最大值不得大于其短邊跨度的1/500［6］，即:

式中:L—玻璃短邊跨度;b—玻璃寬度;

h—玻璃與鋼結構貼合部分長度;u—玻璃允許變形量;

根據圖3（b）結果可知鋼化玻璃的最大變形為:DMX=3.39 mm，已超過其許用變形（1.9 mm）約79%。

3 選用更厚的玻璃進行分析

通過對透明砂水槽的應力變形分析發現，對于10 mm厚鋼化玻璃，其應力及變形都超過了其許用值，因此必須換更厚的玻璃進行分析（圖4）。

選用19 mm鋼化玻璃分析的應力、變形云圖如圖4（a）及4（b）所示。

圖4 玻璃變形云圖

根據應力、變形云圖計算結果可知:鋼化玻璃的最大應力為13.2 MPa，最大變形為0.585 mm，皆小于其許用值，并保證了足夠的安全裕度。

4 結論

通過運用ANSYS有限元軟件對透明砂水槽進行了靜力學分析。根據分析和計算結果，選擇了#20、#16槽鋼及厚度為19mm的鋼化玻璃作為透明砂水槽主體結構。實際使用表明，砂水槽結構穩定，密封良好。說明ANSYS分析方法準確合理，可以為相關設計及工程建設選材提供參考。

［1］張興無，谷漢斌，李炎保.波浪水流作用下疏浚拋泥損失的砂水槽實驗［J］.天津大學學報，2004，37（1）:60-64.

［2］陳章勇.廢熱鍋爐管板砂水槽結構有限元分析及強度評定［J］.石油化工設備，2007.

［3］白金澤，孫秦，郭英男.應用ANSYS進行復雜結構應力分析［J］.機械科學與技術，2003.

［4］李磊，安二峰，楊軍.鋼化玻璃應變率相關的動態本構關系［J］.功能材料，2010.

［5］GB50017－2003《鋼結構設計規范》［S］.

［6］JGJ113.2009.《建筑玻璃應用技術規程》［S］.