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    埋地排水用塑料中空管道结构的优化设计(一)

    来源:互联网    作者:朱红红  郭斌  周纪润

    1 概述

    新型塑料管材与传统金属管材相比具有性质稳定、重量轻、施工方便、使用寿命长、绿色环保等优点,目前在市场上需求量逐年增加。我国塑料管材行业属于新兴行业,具有巨大的市场容量和广阔的市场前景,同时受到国家产业政策支持,该行业得到了快速发展。目前我国的塑料管道生产企业共有1000多家,且主要以中小企业为主,普及率远不比上发达国家。且塑料管道产品种类繁多、应用领域广泛,只要能够生产出一种或几种性能优良产品的企业就能迅速拥有市场竞争力。

    环刚度是评估塑料排水管道性能优劣的一项重要指标,其直接影响排水管道的安全性、可靠性,因此能够设计和生产出具有优良环刚度的管道结构是提高产品和企业竞争力的关键所在。以往依据经验设计的管道结构能达到的环刚度已到局限,寻求更加科学高效的手段,进而设计出具有更优性能的塑料管道产品,突破局限为企业赢得产品竞争力具有重大意义。

    2 原有管道结构环刚度测试的仿真模拟

    目前已有的管道结构样式为传统的中空双壁,内外壁内为直条式加强筋,现有的一款外径为Φ450mm管道样品,截面面积达8509.1677mm2,测试环刚度达六级(6KN/m2)。其中环刚度测试是由两个互相平行的平板垂直方向对试样施加压力,环刚度是由使管试样截面直径方向发生0.03di变形时的力值计算而来,计算公式如下:

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    其中Si为环刚度,Yi为样品垂直方向上变形量,di为样品内径,Fi为负荷,Li为样品长度,该样品环刚度达6级,经计算,负荷Fi为11611N。

    2.1 原有管道的有限元模型

    使用HyperMesh建立上述样品环刚度测试的仿真模型,具体如下图1,取3mm样品(试样实长为300mm)长度建立三维有限元模型,前后截面施加对称约束,上下平板模拟两压板,上平板设置为刚体,下平板为刚性墙,在上平板上施加集中力载荷(合力为Fi/100),设置上平板垂直方向位移为输出,后续由RADIOSS进行计算求解。

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    图1 原有管道结构的有限元分析模型

    2.2 材料参数的仿真拟合

    管道用材为PVC_U,其弹性模量范围介于1500MPa-3000MPa,为使后续环刚度仿真和优化结果贴近实际测试,需使用较为准确的仿真用材料参数。

    通过HyperStudy软件平台,调用上述计算模型,将材料的弹性模量输入值设置为可变参数(范围给定1500?3000MPa),输出位移设置为目标变量(大小设置为0.03di,经计算为12.48mm),自动迭代求解在上述载荷下样品仿真模型变形达到目标值的最佳弹性模量。

    经计算,当弹性模量设置为2900MPa时,目标变量最逼近目标值,如下图2展示了该材料设置下模型变形计算结果,其中右侧图为提取的加载板位移随时间的变化曲线,可看到达到稳定时计算结果为12.5mm,十分接近目标值12.48mm,因此,可将2900MPa的材料弹性模量值用于后续的计算,以使仿真结果贴近实际环刚度测试情况。

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    图2  弹性模量为2900MPa下仿真模型位移计算结果

    3  结构优化设计

    基于两种方式对管道截面进行优化设计:

    一:尺寸优化

    不更改现有中空管道的截面形状,进行内外壁厚即加强筋宽度三个尺寸的优化设计;

    二:结构优化

    基于拓扑优化方式,寻求更加优秀的管道结构形式,使得环刚度达到最优。