基于ANSYS Workbench 的組合式高密度聚乙烯渠道強度仿真分析

黃嘉駿，劉向東，周市林，崔 鵬

（佳木斯大學機械工程系，黑龍江佳木斯 154007）

0 引言

農業經濟緊緊地聯系著國家經濟發展，是國民經濟發展的基礎。2018 年《中共中央國務院關于實施鄉村振興戰略的意見》指出：“實施國家農業節水行動，加快灌區續建配套與現代化改造，推進小型農田水利設施達標提質，建設一批重大高效節水灌溉工程”［1］。

農業運輸渠道是農田水利工程中的一種主要的水利運輸設備，當前水渠系列的最好選擇是組合式渠道，由多個單一渠道構件組合形成。渠道構件是整體渠道里最重要的部件。以往在農田灌排渠道的設計與安裝過程中，考慮到水利渠道的跨度較長，偏遠地區渠道通常完全暴露在室外，直面不同氣候災害，因此在設計施工過程中，需要選用最合適的材料，以延長水利渠道的使用壽命和提高渠道運輸的安全性。但實際上，考慮到設計成本因素，材料選擇相對傳統，如普通農田泥土組成結構、傳統石砌組成渠道和普通混凝土結構等［2］。此類材料雖然成本極低，但極易損耗，比如混凝土結構在溫差變化較大的環境中很容易產生結構裂縫，進而出現大面積渠道結構的破壞，導致出現水利渠道滲水的情況，降低水利用率［3］。

與傳統渠道不同，組合式高密度聚乙烯（HDPE）渠道采用單個構件相互連接，施工簡單，可現場直接機械化施工［4］。HDPE渠道常態下熔融溫度較低，在生產、建造、維修過程時能耗較低，生產成本也比較低。同時，HDPE是熱塑性材料，通常采用焊接、吸塑、擠出方法成型，曲面加工工藝簡便，對環境污染小［6］。能夠滿足水利設施較高的現代化要求［5］。

要讓組合渠道正常工作，首先其結構必須達到工作中最大的強度，渠道強度達標對渠道正常工作具有重要意義。本文通過試驗測試材料高密度聚乙烯（HDPE）的力學性能，利用仿真分析軟件ANSYS Workbench 對其強度進行有限元分析，對比試驗測試的高密度聚乙烯（HDPE）的力學性能，進行渠道結構各個部分的強度校核。

1 材料HDPE力學性能試驗

1.1 HDPE材料簡介

高密度聚乙烯（HDPE）是一種采用齊格勒-納塔催化劑在低壓或中壓及一定溫度條件下合成的聚合物。其聚合的單體為乙烯（C2H2），有時加入少量丁烯-1、己烯-1 或丙烯等α-烯烴作為共聚單體，聚合而成［7］。HDPE原始狀態為白色粉末或顆粒，分子結構為線性，結晶度高，具有良好的耐熱、耐寒、加工性，化學性質穩定［8］。

1.2 HDPE力學性能試驗

1.2.1 拉伸實驗

（1）試驗原理

拉伸性能是高分子聚合物材料的基本力學性能指標［9］，也是高密度聚乙烯力學性能測試中重要的物性指標之一［10］。使用均勻的速度拉伸試樣直到試樣斷裂或應力值或應力變化值達到預設值，然后測量在此過程中試樣承受的負荷大小和伸長量。

應力根據試樣的原始的橫截面積按式（1）計算：

式中：σ為拉伸應力，MPa；F 為所測承受載荷，N；A為試樣開始面積，mm2。

進一步計算應力變化值，如式（2）—（3）所示。

式中：E為應變大小，用比值或百分數表示；L0為試樣間距離，mm；ΔL0為試樣距離標長度的增大量，mm。

拉伸彈性模量根據兩個規定的應變值，按式（4）計算拉伸彈性模量：

式中：Et為拉伸彈性模量大小，MPa；σ1為應力變化變值，σ1＝0.001 時測量的應力，MPa；σ2為應力變化值，σ2＝0.003 時測量的應力，MPa；

泊松比根據兩個相互垂直方向的應變值，按式（5）計算定義的泊松比：

式中：μn為泊松比；E為縱向應變；εn-n ＝b，n ＝（寬度）或h（厚度）時的法相應變。

（2）拉伸試驗機

拉伸試驗機使用金屬電子拉伸試驗機，精度高、控制方式靈活多樣，可以自動分析和處理試驗結果。

（3）試驗速度

速度變化大小也影響著HDPE 力學性能測試結果，參照文獻［11］，選擇測試速度分別為1、2、3 mm/min。

（4）試樣要求

試樣最優選擇寬度為20～30 mm，厚度取自組合式HDPE渠道的渠底厚度，對其他渠道壁部件也進行了拉伸性能測試，測試方法與測試渠底部分相同。

（5）驗步驟與結果統計

用拉伸試驗機的夾子夾緊試樣，設置好測試速度開始試驗，直到試樣斷裂后才停止試驗，統計拉伸實驗報告的數據，統計結果如表1 所示。

1.2.2 抗壓強度測定

（1）試驗材料

標準的試樣應為HDPE材料板塊，厚度為10 cm。

（2）抗壓強度試驗機

抗壓強度試驗機使用電子壓力試驗機，測試結果精確、操作界面簡單，使用方便。

（3）選取試樣

標準的試樣最優選擇為方形塊狀，試樣的厚度不應少于3 cm，3 塊相同試樣，每塊測試1 次。

（4）驗步驟與結果統計

將相同試件放置于抗壓強度試驗機的放置板面上，開始加壓，載荷加載速度控制為每秒0.2 MPa，直至試樣完全破壞，同樣步驟測試三塊相同試樣，統計抗壓強度實驗數據，試驗平均數據的統計結果見表1。

表1 力學性能試驗平均數據統計表

2 組合式渠道強度分析

2.1 建立幾何模型

本節利用軟件ANSYS Workbench 對組合式渠道進行強度分析。第一步要建立單個渠道預制構件的三維模型。由于直接在軟件ANSYS Workbench 中建立單個渠道預制構件結構操作復雜，使用Solid Works三維繪圖軟件能夠建立各種復雜的有限元模型，其界面簡潔，設計過程精簡，通過使用者建立幾何約束限定對象關系，三維裝配建模簡單方便。先在Solid Works三維繪圖軟件建立單個渠道三維實體模型，然后導入到ANSYS Workbench中［12］，建成后的單個渠道預制構件模型如圖1 所示。

圖1 單個渠道構件三維模型圖

結構整體坐標為x、y、z軸，以豎直方向為x軸，向上為正；以水平方向為y軸，向左為正；z 軸沿著渠道縱向，其方向以從接口端指向渠中為正。

2.2 材料設置與網格劃分

依據廠家提供的高密度聚乙烯（HDPE）資料，在軟件ANSYS Workbench中設定彈性模量為1.2 ×103MPa、密度為0.945g/cm3、泊松比為0.39。為得到更加精確結果，在ANSYS Workbench中進行了多次網格劃分，對比了網格尺寸為0.005、0.01、0.02和0.03 m下的有限元分析結果。最終，綜合性能最優，確定網格尺寸為0.02 m。此時模型節點總數為188 628 個，單元總數為98 274 個。完成網格劃分后的單個渠道構件模型如圖2 所示。

圖2 網格化的三維模型圖

2.3 邊界條件及載荷約束

組合式渠道單個構件凹槽相互連接，因此渠道在正常工作中接口端兩側是固定的狀態，主要作用載荷考慮的是單個高密度聚乙烯（HDPE）結構自重、取滿水狀態下的總質量，在有限元靜力分析計算中，由于風載荷、溫度載荷對渠道本身的應力影響太小而不進行考慮［13］。渠道加載荷圖如圖3 所示。

2.4 應力計算結果

滿水工況下，單個渠道預制構件的Mises 等效應力、最大應力分布如圖4—5 所示，渠道接頭端中間截面最大應力和渠道中間截面應力分布如圖6—7 所示。

圖4 Mises等效應力圖

圖5 最大應力圖

圖6 接頭端中間截面最大應力圖

圖7 渠道中間截面應力圖

從圖4—7 可以看出，組合式渠道的應力關于渠道正中心軸左右對稱［14］，在連接端中間截面渠底內側，最大主應力的值最大，渠道底部附件應力值較大。分析渠道結構強度，選取圖6 渠道右半邊部分，對單個渠道結構受力進一步的分析。針對圖6接頭端中間截面最大應力圖，對最大應力圖接頭面內外表皮面分別定義提取路徑內表面、外表面，如圖8 所示；對圖中所示表面分別提取6 處位置3 向應力參數，如表2 所列出接頭端中間截面應力值。

圖8 標注位置應力

表2 接頭端中間截面應力值

3 分析結果

得到荷載分布數據，并按要求進行歸納［15］，分析上述組合式渠道接頭端中間截面各個點位應力計算結果可知，選取的是渠道的右半部分，6 個不同應力點位置內外表面的x、y、z 方向應力值的結果均很小。內表面路徑時應力值變化不穩定，y 方向從渠底到渠頂位置應力變化梯度很大，最大值出現在渠底附近，x、z 方向的應力值變化不大。對組合式HDPE 渠道在自重和水壓力荷載作用下的應力結果分析中可得，z 方向從渠底位置到渠頂位置由受壓變為受拉狀態，在渠底受最大壓應力作用，在渠頂位置受最大拉應力作用；最壓力值位于渠道底部附件，標記點渠底最大值為0.026 516 MPa，在HDPE 的抗壓強度測試中，HDPE 的抗壓強度為8 MPa，其值小于高密度聚乙烯的抗壓強度；其所受最大拉應力值為0.023 973 MPa，遠遠小于高密度聚乙烯的抗拉強度17 MPa，故組合式HDPE 渠道的強度能夠滿足渠道在正常工作的強度需求，符合工作要求。

4 結束語

本文基于ANSYS Workbench 有限元分析軟件，結合材料HDPE力學性能試驗結果，對組合式HDPE 渠道進行了有限元分析。評估單個渠道的結構強度，通過分析得出渠道6 個不同位置點的應力值大小。結果表明，組合式HDPE渠道所受的等效應力值均很小，密度聚乙烯（HDPE）的抗壓強度大于渠道底部位置的壓力值；其所受最大拉應力值也小于高密度聚乙烯（HDPE）的抗拉強度，故組合式HDPE 渠道的強度能夠滿足渠道在施工管理中安全性，符合工作要求，使用高密度聚乙烯（HDPE）設計的渠道，更加符合現代綠色發展，能在生活中進行批量生產。