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摘要：污泥沉積池罩是污泥沉積池的重要部件。由于其跨度大，長期處于酸性環(huán)境中，對(duì)材料的強(qiáng)度和防腐性能要求較高，玻璃鋼是為理想的選材。本文根據(jù)污泥沉積池罩的受力和安裝要求，利用大型通用有限元工程設(shè)計(jì)軟件ANSYS對(duì)污泥沉積池罩的外形、結(jié)構(gòu)和重量進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，終設(shè)計(jì)出重量僅為11. 2t，直徑34m的玻璃鋼污泥沉積池罩。
關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；優(yōu)化設(shè)計(jì)；輔助設(shè)計(jì)；力學(xué)性能
中圖分類號(hào)：TQ327. 1；X703. 3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003 - 0999 ( 2005 ) 02 - 0029 - 04
1 前言
隨著現(xiàn)代化都市的不斷擴(kuò)容，城市水資源缺乏日益嚴(yán)重，污水處理再利用是水資源循環(huán)使用的重要途徑。污泥沉積池是凈化系統(tǒng)的重要組成部分，為了降低污泥沉積池釋放的臭氣、毒氣對(duì)外界的污染，需要在污泥沉積池上安裝污泥沉積池罩。污泥沉積池有圓形、方形等多種類型，而以圓形為常見，其直徑一般為20 --40m。由于污泥沉積池罩跨度大，強(qiáng)度剛度要求高，傳統(tǒng)的罩子大多采用鋼骨架，配裝鐵皮、帆布和其它輔材。這樣的結(jié)構(gòu)和功能實(shí)際上是由不同材料分別承擔(dān)，不是一個(gè)有機(jī)的整體，而且由于長期處于酸性氣氛和30--40℃暴曬的環(huán)境中，一般要求骨架材料為不銹鋼，遮蔽物為防腐材料，因此傳統(tǒng)罩子的制造難度和成本都相對(duì)較高。采用玻璃鋼制造污泥沉積池罩，將充分利用玻璃鋼結(jié)構(gòu)和功能相統(tǒng)一的性能來提高材料利用率，減輕產(chǎn)品重量，改善結(jié)構(gòu)性能，降低產(chǎn)品制造成本〔1〕。本文根據(jù)污泥沉積池罩的實(shí)際受力和安裝要求，利用有限元工程軟件ANSYS對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，總結(jié)出影響污泥沉積池罩結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵控制因素；對(duì)污泥沉積池罩的外形、結(jié)構(gòu)和重量進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，終設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)滿足使用要求，外形美觀的玻璃鋼污泥沉積池罩。
2 有限元模型的建立及求解
2.1基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
產(chǎn)品概念性構(gòu)想是復(fù)合材料產(chǎn)品外形和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，本文針對(duì)產(chǎn)品技術(shù)要求構(gòu)建了玻璃鋼污泥沉積池罩的雛形，如圖1所示。設(shè)計(jì)的污泥沉積池罩直徑34m，單瓣跨度巧m，一端固定在半徑為2m的電機(jī)圓柱形桶壁上，為了不影響電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和維修橋的架設(shè)，以及方便電機(jī)部分的維護(hù)和保養(yǎng)，安裝點(diǎn)高度設(shè)計(jì)為2m，另一端固定在以污泥沉積池中心為圓心，半徑為17m的圓形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的地基上。此結(jié)構(gòu)為大跨度的薄壁結(jié)構(gòu)，參照大型玻璃鋼屋蓋和育頂?shù)脑O(shè)計(jì)原理，選擇了波形斷面桶拱結(jié)構(gòu)川。它具有剛度高、抗彎性和穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。為便于運(yùn)輸和吊裝，污泥沉積池罩采用了對(duì)稱分瓣組合形式，由36瓣組成，每瓣的大圓弧小于3m；為了提高整體剛度還采用了殼體翻邊連接方式，在殼體上自然形成一圈T型筋，每瓣之間、上下端與固定支之間均采用法蘭聯(lián)接，螺栓固定，所以整個(gè)罩體基本上是帶加強(qiáng)筋的回轉(zhuǎn)殼體結(jié)構(gòu)(2)。罩體組裝后無倒灌水和駐水現(xiàn)象。罩以玻璃鋼為主體材料，輔以聚氨醋泡沫及其它材料復(fù)合制造而成。玻璃鋼污泥沉積池罩主要受到冬季雪載和自重的影響。在上述載荷共同作用下，材料許用應(yīng)力必須具有足夠的安全系數(shù)，為各種因素的影響提供一定的強(qiáng)度儲(chǔ)備，剛度要求大變形撓度小于l0mm.
2.2有限元模型的建立、約束條件和載荷施加
污泥沉積池罩尺寸滿足h/Rm;.（h為厚板，R為中曲面的曲率半徑）比值小于20[31，以手糊鋪層方式成型，所以罩的主體選用了具有6個(gè)自由度，適于非線性大應(yīng)變分析的she 1191殼單元，并采用四邊
結(jié)構(gòu)改良的備選方案，不參與優(yōu)化設(shè)計(jì)，終的有限元模型如圖2所示
根據(jù)第2.1節(jié)對(duì)玻璃鋼污泥沉積池罩的分析，罩的內(nèi)外端面施加固定支，即約束全部自由度，由于采用了循環(huán)對(duì)稱分析算法，無需施加對(duì)稱邊界約束條件。加自重載荷時(shí)，考慮在ANSYS分析中忽略螺栓等附加重量，模型重量相比實(shí)際自重偏低的問題，對(duì)玻璃鋼的密度進(jìn)行了修正，附加載荷系數(shù)設(shè)為1．05。整個(gè)污泥沉積池罩需要大約2300個(gè)螺栓固定，重量大約在700一800純，整個(gè)玻璃鋼罩的凈重約12t0由于手糊玻璃鋼制品厚度離散較大，通常有超厚現(xiàn)象，設(shè)超載系數(shù)1 ．2〔2〕，所以計(jì)算時(shí)玻璃鋼密度終被修正為2. 268 x 103 Kg?m-3。根據(jù)產(chǎn)品安裝地區(qū)（華北某地）10a高降雪厚度為190mm的氣象信息，全年積雪超載系數(shù)按1 ．2對(duì)積雪總重加權(quán)，由于罩體表面很難用函數(shù)來定義確定，因此本文借助于SURF154表面單元在異形面上完成了雪載的施加。
2.3有限元求解
為了能調(diào)用自動(dòng)循環(huán)對(duì)稱算法，選擇在ANSYS多物理場下進(jìn)行分析求解。作為循環(huán)對(duì)稱分析的循環(huán)部件必須具有類似于扇區(qū)的結(jié)構(gòu)形式，轉(zhuǎn)動(dòng)的角度應(yīng)能被360度整除，污泥沉積池罩單瓣掃過的角度為10度，整除數(shù)為36滿足要求。在循環(huán)對(duì)稱分析中系統(tǒng)先對(duì)單個(gè)的循環(huán)對(duì)稱單元進(jìn)行求解，然后再利用這個(gè)計(jì)算結(jié)果構(gòu)建出整個(gè)循環(huán)對(duì)稱系統(tǒng)對(duì)此做出的響應(yīng)行為，利用此算法能在相對(duì)較小的計(jì)算開支內(nèi)求得整個(gè)系統(tǒng)的受力狀態(tài)。
優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊是ANSYS多物理場程序的一個(gè)重要模塊。優(yōu)設(shè)計(jì)方案旨在滿足所有設(shè)計(jì)要求的條件下所需的支出（如重量、面積、體積、應(yīng)力、費(fèi)用等）小。優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本原理是通過構(gòu)建優(yōu)化模型，運(yùn)用各種優(yōu)化方法，通過在滿足設(shè)計(jì)要求的條件下的計(jì)算，求得目標(biāo)函數(shù)的極值，得到優(yōu)設(shè)計(jì)方案。其過程是一系列的分析、評(píng)估及修正的循環(huán)過程，即對(duì)于初始設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，對(duì)分析結(jié)果及設(shè)計(jì)要求進(jìn)行評(píng)估，然后修正設(shè)計(jì)[4]。
由于玻璃鋼污泥沉積池罩沒有現(xiàn)成的原形，設(shè)計(jì)的控制因素很多，對(duì)變量的迭代控制很難實(shí)現(xiàn)。因此根據(jù)產(chǎn)品要求，先設(shè)計(jì)了玻璃鋼污泥沉積池罩的雛形，對(duì)其進(jìn)行了基本受力分析，發(fā)現(xiàn)存在的問題，歸納總結(jié)影響結(jié)構(gòu)的重要控制因素，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行模型的修改和優(yōu)化。在優(yōu)化分析階段，將壁厚作為設(shè)計(jì)變量，SEQV應(yīng)力作為狀態(tài)變量，其控制范圍為應(yīng)力小于13 MPa；把總重作為目標(biāo)函數(shù)，選擇一階作為優(yōu)化方法，大迭代次數(shù)40次，收斂計(jì)算結(jié)束后查看結(jié)果。為了提高產(chǎn)品的剛度，將大撓度值降到l omm以下。參照受力情況，在優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)模型變形較大的區(qū)域進(jìn)行了加筋改良處理，同時(shí)通過改變鋪層角度等方式提高產(chǎn)品強(qiáng)度。由于罩子為大跨度的薄殼結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定問題是必須考慮的，因此本文還對(duì)終的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行了屈曲特征值校核分析[1,4]。
3 結(jié)果分析
初結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有限元分析結(jié)果如圖3所示，撓度 33 mm、應(yīng)力30MPa，相比技術(shù)要求偏高。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，玻璃鋼罩與電機(jī)圓柱形鋼壁連接點(diǎn)的高度，拱的形狀和大小，以及波形和波形變化是影響結(jié)構(gòu)的主要控制因素，而且撓度的敏感區(qū)域主要集中在中間部位，應(yīng)力的敏感區(qū)域主要集中在兩端固定支附近。因此，修改設(shè)計(jì)模型后如圖2如示。然后在不同鋪層方式下對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算，發(fā)現(xiàn)[-45/0/45/90]s。方式明顯優(yōu)于（0/90），方式，撓度減小了27%，SEQV應(yīng)力減小了29.5%，因此將[-45/0/45/90]s作為進(jìn)一步設(shè)計(jì)的鋪層方式。
在優(yōu)化階段，求解收斂于第11次迭代，厚度4．lmm、總重10. 2269t為系統(tǒng)分析的佳結(jié)果。從圖4,表1分析可知SEQV應(yīng)力隨總重的增加而遞減，在10. 2269t時(shí)應(yīng)力次降到了13MPa以下，隨后出現(xiàn)過一段平臺(tái)，再后的變化非常小，因此可以確認(rèn)優(yōu)化正確。
從優(yōu)化結(jié)果數(shù)據(jù)中提取節(jié)點(diǎn)的大撓度值進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，大撓度總大于13 mm，隨厚度變化不是很明顯，考慮采用加筋的方法來提高罩的整體剛度。加筋的部位按照撓度分布情況排布，如圖5所示，距中心4m，長9m。筋截面形狀為矩形，高80rnm，寬l00mm，其計(jì)算結(jié)果如圖6所示，大撓度9. 598mm小于設(shè)計(jì)要求l omm。以安全系數(shù)8計(jì)算(21，應(yīng)力SEQV大值8. 913MPa小于許用應(yīng)力21 MPao經(jīng)屈曲分析，此結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定系數(shù)為11.545，大變形量小于lmm，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。罩的總重量為11．1961t，遠(yuǎn)小于鋼結(jié)構(gòu)30多噸的重量，達(dá)到了以玻璃鋼污泥沉積池罩替代鋼結(jié)構(gòu)污泥沉積池罩的設(shè)計(jì)目的。
4 結(jié)語
利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)復(fù)合材料產(chǎn)品進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，有助于設(shè)計(jì)人員在較短時(shí)間內(nèi)了解、把握問題的實(shí)質(zhì)，及時(shí)提出解決問題的方法，縮短研發(fā)周期，降低研制風(fēng)險(xiǎn)，提高產(chǎn)品試制的成功率。與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)有較高的設(shè)計(jì)質(zhì)量，特別是在結(jié)構(gòu)優(yōu)化和減重方面尤為突出。本文在ANSYS軟件平臺(tái)上，對(duì)大型建筑體一玻璃鋼污泥沉積池罩進(jìn)行了設(shè)計(jì)開發(fā)，完成了外形設(shè)計(jì)，材料設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等多項(xiàng)內(nèi)容，并在優(yōu)厚度4. 1 mm下通過加筋方式進(jìn)一步提高了產(chǎn)品的整體剛度，終設(shè)計(jì)出滿足使用要求，總重僅為11 ．2t，直徑34m的玻璃鋼污泥沉積池罩，加強(qiáng)筋的優(yōu)化還有待進(jìn)一步研究。
參考文獻(xiàn)
1〕沃丁柱．復(fù)合材料大全[M]．北京：化工工業(yè)出版社．1998.
2〕劉雄亞，晏石林．復(fù)合材料制品設(shè)計(jì)及應(yīng)用(M〕．北京：化工工業(yè)出版社．2003．
3〕哈爾濱建筑工程學(xué)院．玻璃鋼結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)(M〕．北京：建筑工業(yè)出版社．1981．
4) 張勝民．基于有限元軟件ANSYS 7. 0的結(jié)構(gòu)分析(M)．北京清華大學(xué)出版社，2003.
OYI7MUM STRUCTURE DESIGN FOR LARGE FRP COVER OF
SLUDGE AGGRADATION TANK
ZHANG shi-guang，MENG Yi-jie
（1 ．Jinchuan Group Co. Ltd. Jinchang of Gansu Prov. 737103，China：2. Beijing FRP
Research＆Design Institute，Beijing 102101，China）
Abstract：The cover is an important component of the sludge aggradation tank. On account of the large span
and chronical acid circumstance for the cover，F(xiàn)RP is satisfied as the best ideal material because of its high strength
and corrosion resistance. On the basis of the result of the basic mechanical analysis and fixing requirement，the
large-scale finite element analysis（FEA）software ANSYS is adopted to design and optimize the shell，structure
and weight of the cover. The optimal total weight is only 11．2 tons for the cover with the diameter of 34m according
to the analysis result.
Key words：FRP；optimum design; aided design；mechanical properties