基于ANSYS的埋地垃圾箱結構分析*

房 亮

(海沃機械(中國)有限公司，江蘇 揚州 225006)

0 引言

近些年來，隨著人們消費水平與消費量的提高，所產生的生活垃圾也急劇增多[1]，加上一些城市的規模迅速擴張，對現有的基礎設施造成了壓力[2]。目前，已有專利提出埋地垃圾箱的構想[3],但其對埋地垃圾箱的結構分析較少。由于埋地垃圾箱外部環境錯綜復雜，使用過程中常因外部壓力過大,箱壁結構不可靠,產生變形并引起泄漏[4]。因此如何研發設計出安全可靠的埋地垃圾箱就變得尤為重要。本文在ANSYS Workbench中利用有限元法對埋地垃圾箱建模并進行力學分析。通過對埋地垃圾箱進行埋地靜態應力測試驗證有限元分析結果，以此為埋地垃圾箱的優化和改進提供理論依據。

1 埋地垃圾箱有限元分析

1.1 模型的建立以及網格劃分

本文采用SolidWorks對埋地垃圾箱進行三維建模，再將其導入到ANSYS中進行模型的分析與計算。在ANSYS中通過網格劃分將三維模型離散轉化為由單元(Element)和節點(Node)組成的有限元模型。該垃圾箱采用實體單元劃分，總結構生成單元82 146個、節點510 556個，埋地垃圾箱的有限元網格模型如圖1所示。

圖1 埋地垃圾箱的有限元網格模型

垃圾箱的材料為Q345a鋼，具體材料屬性如表1所示，根據該材料的屬性，在有限元材料庫中定義相同屬性的材料，并賦予有限元模型。

表1 Q345a材料特性

1.2 約束與載荷

垃圾箱各結構的連接方式為焊接，設置各接觸部件為綁定接觸(Bonded)，垃圾箱下底面固定約束。埋地垃圾箱主要受永久載荷和外界附加載荷兩大作用，永久載荷包括垃圾箱自重、側向土壓力、垃圾箱壁的下曳力、豎向土壓力；外界附加載荷主要包括地面的堆積載荷[5]。

本文分別考慮無外界附加載荷和外界30 t車輛附加載荷兩種情況。

(1) 工況一為無外界附加載荷，主要考慮垃圾箱自重、側向土壓力、垃圾箱壁的下曳力，并按設計埋深1.8 m加載。該實驗中，垃圾箱上表面與地面齊平，故不考慮豎向土壓力。垃圾箱的側向土壓力F(kN/m2)由下式計算：

F=KαγSZ.

(1)

其中：Kα為主動土壓力系數，Kα=1/3；γS為回填土的重度，γS=18 kN/m3；Z為自地面至計算截面處的深度，m。

作用在垃圾箱箱壁上的下曳力TA(kN/m2)由下式計算：

TA=μ(F1+F2)/2.

(2)

其中：μ為垃圾箱與回填土之間的摩擦因數，μ=0.2；F1、F2分別為作用于垃圾箱頂部和底部的側向土壓力的標準值，F1=KαγSZ1=(18×0)/3=0 kN/m2,F2=KαγSZ2=(18×1.8)/3=10.8 kN/m2。

(2) 工況二是在工況一基礎上附加30 t車輛外界載荷，其值由下式計算：

F3=qKa.

(3)

其中：q為垃圾箱所承受的載荷，q=F/A=300 000/(6·2.5)=20 000 N/m2(30 t車輛軸距為6 m，寬為2.5 m)。

將相關參數代入式(3)計算得F3=6.67 kN/m2。

故在工況一無附加載荷情況下在垃圾箱側面施加側向土壓力(如圖2所示)和下曳力(如圖3所示)。工況二則在垃圾箱一側面施加20 kN/m2的載荷(如圖4所示)。

圖2 側向土壓力施加 圖3 下曳力施加 圖4 附加載荷施加

1.3 有限元計算

埋地垃圾箱的有限元計算結果如圖5～圖8所示。由圖5可知：在無外界附加載荷條件下，埋地垃圾箱的最大應力為268.16 MPa，該應力發生在垃圾箱橫梁與支柱的焊接處，為集中應力，故忽略；應力較大的地方位于五根立柱的根部，最大應力為82.09 MPa，小于該材料的屈服強度345 MPa。由圖6可知：埋地垃圾箱整體的最大變形為3.139 mm，位于長邊側板位置。

圖5 埋地垃圾箱無附加載荷下的等效應力云圖

由圖7可知：在外界附加30 t車輛條件下，垃圾箱的最大應力為446.19 MPa，該應力發生在垃圾箱橫梁與支柱的焊接處，為集中應力，故忽略；應力較大的地方位于五根立柱的根部，最大應力為137.26 MPa，小于該材料的屈服強度345 MPa。由圖8可知：埋地垃圾箱整體的最大變形為5.47 mm，位于長邊側板中間位置。

2 埋地實驗

為了便于將測試結果與有限元計算結果比較，在該垃圾箱的正面布置多個測點，貼上電阻應變片，在不同工況下分別施加對應的載荷，通過靜態應變儀采集各測點的應變。

垃圾箱兩長面貼片位置如圖9所示，其中A面貼片位置與B面貼片位置一一對應。

圖9 垃圾箱A(B)兩面貼片位置

通過測試以及數據處理后得到埋地垃圾箱上各測點的應變值和應力值。取A面為參照。將測試結果與有限元分析結果進行對比，如表2、表3所示。

表2 工況一有限分析結果與測試結果對比

表3 工況二有限分析結果與測試結果對比

通過兩者誤差分析對比，繪制兩種工況下兩者的誤差分析曲線，如圖10和圖11所示。由圖10、圖11可知，該誤差都在10%以內，誤差值較小，說明有限元分析結果可靠。可作為進一步對其做出優化的依據。

圖10 工況一下各點誤差分析

圖11 工況二下各點誤差分析

3 結語

本文主要利用ANSYS對埋地垃圾箱進行有限元分析，得到了不同工況下埋地垃圾箱的等效應力和變形。并對埋地垃圾箱進行靜態應力測試，來驗證有限元分析結果的可靠性，以此對埋地垃圾箱的力學性能及結構靜態強度做出評定，找出其應力與變形最大處，為埋地垃圾箱的優化與改進提供理論依據與模型。