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          埋地排水用塑料中空管道結構的優化設計(一)

          來源:互聯網????作者:朱紅紅??郭斌??周紀潤

          1 概述

          新型塑料管材與傳統金屬管材相比具有性質穩定、重量輕、施工方便、使用壽命長、綠色環保等優點,目前在市場上需求量逐年增加。我國塑料管材行業屬于新興行業,具有巨大的市場容量和廣闊的市場前景,同時受到國家產業政策支持,該行業得到了快速發展。目前我國的塑料管道生產企業共有1000多家,且主要以中小企業為主,普及率遠不比上發達國家。且塑料管道產品種類繁多、應用領域廣泛,只要能夠生產出一種或幾種性能優良產品的企業就能迅速擁有市場競爭力。

          環剛度是評估塑料排水管道性能優劣的一項重要指標,其直接影響排水管道的安全性、可靠性,因此能夠設計和生產出具有優良環剛度的管道結構是提高產品和企業競爭力的關鍵所在。以往依據經驗設計的管道結構能達到的環剛度已到局限,尋求更加科學高效的手段,進而設計出具有更優性能的塑料管道產品,突破局限為企業贏得產品競爭力具有重大意義。

          2 原有管道結構環剛度測試的仿真模擬

          目前已有的管道結構樣式為傳統的中空雙壁,內外壁內為直條式加強筋,現有的一款外徑為Φ450mm管道樣品,截面面積達8509.1677mm2,測試環剛度達六級(6KN/m2)。其中環剛度測試是由兩個互相平行的平板垂直方向對試樣施加壓力,環剛度是由使管試樣截面直徑方向發生0.03di變形時的力值計算而來,計算公式如下:

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          其中Si為環剛度,Yi為樣品垂直方向上變形量,di為樣品內徑,Fi為負荷,Li為樣品長度,該樣品環剛度達6級,經計算,負荷Fi為11611N。

          2.1 原有管道的有限元模型

          使用HyperMesh建立上述樣品環剛度測試的仿真模型,具體如下圖1,取3mm樣品(試樣實長為300mm)長度建立三維有限元模型,前后截面施加對稱約束,上下平板模擬兩壓板,上平板設置為剛體,下平板為剛性墻,在上平板上施加集中力載荷(合力為Fi/100),設置上平板垂直方向位移為輸出,后續由RADIOSS進行計算求解。

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          圖1 原有管道結構的有限元分析模型

          2.2 材料參數的仿真擬合

          管道用材為PVC_U,其彈性模量范圍介于1500MPa-3000MPa,為使后續環剛度仿真和優化結果貼近實際測試,需使用較為準確的仿真用材料參數。

          通過HyperStudy軟件平臺,調用上述計算模型,將材料的彈性模量輸入值設置為可變參數(范圍給定1500?3000MPa),輸出位移設置為目標變量(大小設置為0.03di,經計算為12.48mm),自動迭代求解在上述載荷下樣品仿真模型變形達到目標值的最佳彈性模量。

          經計算,當彈性模量設置為2900MPa時,目標變量最逼近目標值,如下圖2展示了該材料設置下模型變形計算結果,其中右側圖為提取的加載板位移隨時間的變化曲線,可看到達到穩定時計算結果為12.5mm,十分接近目標值12.48mm,因此,可將2900MPa的材料彈性模量值用于后續的計算,以使仿真結果貼近實際環剛度測試情況。

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          圖2? 彈性模量為2900MPa下仿真模型位移計算結果

          3? 結構優化設計

          基于兩種方式對管道截面進行優化設計:

          一:尺寸優化

          不更改現有中空管道的截面形狀,進行內外壁厚即加強筋寬度三個尺寸的優化設計;

          二:結構優化

          基于拓撲優化方式,尋求更加優秀的管道結構形式,使得環剛度達到最優。

           

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