一體化預製泵站的應力與剛度分析

一體(ti) 化預製泵站的發展時間較短,但已經被廣泛應用於(yu) 各種工程中,解決(jue) 了在城鎮排水中出現的問題。一體(ti) 化預製泵站以強大的流體(ti) 提升和輸送能力,在城市水循環係統和正在興(xing) 起的海綿城市工程中得到了廣泛的應用。目前,國內(nei) 對於(yu) 該設備的設計及試驗尚無相關(guan) 的國家標準,對於(yu) 質檢行業(ye) 尚無相關(guan) 檢測規範和標準。基於(yu) 國家經濟社會(hui) 發展大局和上海加快推進五個(ge) 中心建設,以貼近政府監管、貼近產(chan) 業(ye) 政策和貼近國計民生為(wei) 服務宗旨,以新的質檢基地建設為(wei) 契機,不斷提升經濟發展支撐能力和產(chan) 品質量安全保障能力為(wei) 落腳點,這一研究課題具有重大的實際意義(yi) 。

筆者首先對一體(ti) 化預製泵站的研究背景進行闡述,然後在理論分析基礎上,通過 Solidworks 軟件進行三維建模,再基於(yu) ANSYS軟件對該泵站筒體(ti) 進行仿真分析,最後提出一種剛度仿真分析的方法,研究結論不僅(jin) 為(wei) 一體(ti) 化預製泵站的優(you) 化設計及穩定運行提供參照,還可以為(wei) 一體(ti) 化預製泵站的筒體(ti) 檢測提供重要的理論依據。

相關(guan) 研究

近年來,有許多科研人員和學者對一體(ti) 化預製泵站的應用和結構進行了探索。尤鑫"通過研究總結了體(ti) 化預製泵站的優(you) 勢,改善了傳(chuan) 統汙水泵站施工周期長、工作環境差、重複利用性差、建設成本高等缺點。候宏林9結合泵站引、排、灌的一體(ti) 化建設,指出泵站的一體(ti) 化設計施工能夠合理地減少占地、優(you) 化泵站建設方案、縮短建設周期及節約泵站的投資成本。孟凡有中等從(cong) 筒體(ti) 有效容積及其內(nei) 部揚程損失、抗浮設計及校驗、基礎螺栓選用以及筒體(ti) 結構強度等方麵,詳細介紹了一體(ti) 化預製泵站的選型設計及施工注意事項。張建立"結合一體(ti) 化預製泵站的機構和運行特點,設計了一套包含18新利娱乐手机版在內(nei) 的通道積水自動排除係統,從(cong) 而解決(jue) 了低路堤設計所帶來的下挖通道排水問題。徐雁翔總結了在泵站設計中應用有限元分析，可以彌補傳(chuan) 統理論公式的不足,同時結合生產(chan) 實際,給出了合適的剛性環寬高比。王默從(cong) 不同水泵安裝位置、泵坑形狀、導水錐幾何尺寸三個(ge) 方麵分析了18新利娱乐手机版幾何參數對水力性能的影響。

結構

一體(ti) 化預製泵站主要由玻璃鋼筒體(ti) 、汙水汙物排水泵組、閥門、管道、提升裝置、格柵、控製係統、檢修平台、通風係統等組成,格柵一般有粉碎格柵或提籃格柵。目前,一體(ti) 化預製泵站剛度分析的研究存在以下問題。一方麵是泵站太大,實際試驗難度高,局部的剛度試驗不具有實際參考性價(jia) 值,同時泵站的剛度試驗不僅(jin) 是破環性試驗,試驗成本大。另一方麵,國內(nei) 暫無與(yu) 之對應的設計規範和產(chan) 品標準,同時企業(ye) 在實際設計生產(chan) 中,往往因沒有統一設計規範,忽略了簡體(ti) 剛度測試的重要性。對此,筆者以上海某給排水設備公司提供的 YOP12-34-D-G一體(ti) 化預製泵站為(wei) 例,建立筒體(ti) 直徑為(wei) 1200 mm,高為(wei) 3 400 mm 的一體(ti) 化預製泵站模型,對其進行理論分析、有限元分析,校核其剛度,並提出一種剛度仿真分析的方法。一體(ti) 化預製泵站結構如圖1所示。

理論分析

一體(ti) 化預製泵站的應力由筒底至筒頂逐漸減小，其應變則逐漸增大。隨著工作水位和安裝高度的上升,簡體(ti) 最大應力下降。隨著安裝高度的上升,簡體(ti) 最大應變減小!。一體(ti) 化預製泵站的主要原材料為(wei) 玻璃鋼,因此一體(ti) 化預製泵站的剛度分析主要是針對玻璃鋼筒體(ti) 的剛度分析。玻璃鋼材料參數見表1。筆者以粉質黏土進行土壓力的計算。

建模

計算機輔助工程應用計算機輔助求解複雜工程和產(chan) 品結構強度、剛度、屈曲穩定性、動力響應、熱傳(chuan) 導三維多體(ti) 接觸、彈塑性等力學性能,進行結構性能的優(you) 化設計,是一種近似數值分析方法。計算機輔助工程軟件應用至今已有50多年的發展史,不僅(jin) 理論技術成熟,而且應用技術廣泛,現已成為(wei) 工程和產(chan) 品結構分析必不可缺的數值計算工具,並且也是有限元分析力學各類問題的一種手段。

對一體(ti) 化預製泵站進行實測後,使用SolidWorks三維軟件對實物泵站進行建模,三維模型如圖2所示有限元分析模型如圖3所示。對結構部件進行自適應網格劃分,網格劃分結果如圖4所示。

應力分析

靜應力的分析需對物體(ti) 施加約束和載荷,根據一體(ti) 化預製泵站實際固定方式,對底座約束部位添加固定約束,如圖5所示。

根據一體(ti) 化預製泵站的實際受力情況,規定豎直向下為(wei) 重力加速度方向,即-%方向,在筒體(ti) 和底座的外壁施加載荷。

將沙土看作具有流動性,沙土對筒體(ti) 外部的壓力P 與(yu) 預埋深度h 有關(guan) ,為(wei) :

P,=p₁g₁h,

式中：ρ１ 為(wei) 沙土密度，取 １ ９００ ｋｇ ／ ｍ ３ 。 沙土對筒體(ti) 壁麵和底座底麵施加載荷，筒體(ti) 荷載 後的應力分布雲(yun) 圖如圖 ６ 所示。 由圖 ６ 可見，筒體(ti) 外 壁麵受力自上而下逐漸增大，筒體(ti) 外壁麵接近底座處 受到的應力最大，為(wei) ０． ０５８ ０１５ ＭＰａ。 筒體(ti) 內(nei) 部有水時，筒體(ti) 內(nei) 部受到的壓力Ｐ２與(yu) 水的深度 ｈ２ 有關(guan) ，為(wei) ： Ｐ２ ＝ ρ２ ｇｈ２ （２） 式中：ρ２ 為(wei) 水的密度，取 １ ０００ ｋｇ ／ ｍ ３ 。 筒體(ti) 加水至啟泵液位，高度為(wei) ３ ４００ ｍｍ，水對筒 體(ti) 壁麵和底麵施加載荷，筒體(ti) 壁麵荷載後的應力分布 雲(yun) 圖如圖 ７ 所示。 由圖 ７ 可見，筒體(ti) 壁麵受力自上而 下逐步增大，筒體(ti) 壁麵接近底座處受到的應力最大，為(wei) ０． ０３０ ０２３ ＭＰａ7

剛度分析

剛度指材料或結構在受力時抵抗彈性變形的能力,是材料或結構彈性變形難易程度的表征。材料的剛度通常用彈性模量來衡量。在宏觀彈性範圍內(nei) ，剛度是零件荷載與(yu) 位移成正比的比例係數,即引起單位位移所需的力。剛度的倒數稱為(wei) 柔度，即單位力引起的位移。剛度可分為(wei) 靜剛度和動剛度。通常采用材料在一定受力下的變形量大小來校核材料的剛度是否滿足要求。簡體(ti) 在不同條件下的變形雲(yun) 圖如圖8所示當筒體(ti) 內(nei) 部為(wei) 空筒時,簡體(ti) 最大變形量為(wei) 3.8733mm。當筒體(ti) 內(nei) 部為(wei) 水時,簡體(ti) 最大變形量為(wei) 5.8658mm。

筒體(ti) 的最大變形量與(yu) 簡體(ti) 尺寸相比極小,即筒體(ti) 剛度滿足要求。

第二強度理論認為(wei) 材料破壞的主因是最大伸長應變,當達到拉伸極限時材料會(hui) 出現斷裂。簡體(ti) 外部為(wei) 沙,內(nei) 部為(wei) 水時的等效應變雲(yun) 圖如圖9所示,最大等效應變出現在進口管道和底座附近區域,最大等效應變值為(wei) 0.0050089.與(yu) 筒體(ti) 相比變化極小，不會(hui) 出現斷裂的危險。

簡體(ti) 外部為(wei) 沙,內(nei) 部為(wei) 空筒時的等效應變雲(yun) 圖如圖10所示,最大等效應變出現在進口管道和底座附件區域,其值為(wei) 0.003 3151,與(yu) 簡體(ti) 相比變化極小,不會(hui) 出現斷裂的危險。

結束語

筆者通過理論計算,得到一體(ti) 化預製泵站玻璃鋼簡體(ti) 的最大主動壓力小於(yu) 玻璃鋼材料許用應力,符合剛度要求。基於(yu) 一體(ti) 化預製泵站三維模型,通過有限元分析,並剛度校核,一體(ti) 化預製泵站筒體(ti) 的最大變形量為(wei) 5.865 8 mm,最大等效應變為(wei) 0.005 008 9.與(yu) 筒體(ti) 尺寸相比極小,簡體(ti) 剛度合格。企業(ye) 可以在不同的筒體(ti) 厚度和材料下,通過有限元分析進行剛度仿真,獲得最大許用應力,通過與(yu) 材料許用應力比較,獲得一個(ge) 參考值,進而反推出筒體(ti) 厚度的合適值。