有限元法在塑钢缠绕排水管设计中的应用研究

董勉励 陈新风 付明明

(深圳 518118)

有限元法在塑钢缠绕排水管设计中的应用研究

董勉励 陈新风 付明明

(深圳 518118)

塑料埋地管材逐步取代传统刚性管材已成为一种趋势，而新型的结构壁管发展更加迅速，结构壁管的先进设计也引起管道生产企业的足够重视。本文通过对比有限元法与传统理论计算方法在产品研发过程中的优势来说明采用先进设计方法将会给管道企业带来的好处，指出更多先进的设计技术将会推动埋地管道更快的发展。

钢塑缠绕管，环刚度，热变形，优化设计，有限元

1.背景

以往，我国的埋地排水管基本上采用的是铸铁管、混凝土管和钢筋混凝土管等刚性管道系统。近半个世纪以来，随着高分子材料及高分子聚合技术的快速发展，管道领域发生了重大变革，“以塑代钢”成为一种趋势，国际上塑料埋地排水管已经广泛应用了几十年。由于塑料埋地排水管的独特优越性加上政府的鼓励和支持，近年来国内应用市场迅速发展。

深圳华瀚管道科技有限公司(以下简称华瀚管道)是一家专业从事给排水管道的研发、生产、销售的高新技术企业，塑钢缠绕管是华瀚管道产品中自主创新，拥有自主知识产权的新型钢塑复合重力自流管道产品，属于缠绕成型法制成的结构壁管的一种，该种管道既有钢的强度和刚性，又具备塑料的柔性和防腐蚀性。

本文结合有限元分析软件ANSYS在华瀚管道产品研发中的使用情况，说明新的设计方法在管道生产中的应用特点，并比较与传统的理论设计方法的优势。

2. ANSYS介绍

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, IDEAS, AutoCAD等,是现代产品设计中的高级CAE工具之一，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。在航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械等行业领域应用广泛。

结合华瀚管道产品的特点，公司设计人员运用ANSYS的结构力学模块计算管道的环刚度和应力变形及冲击试验，热力学模块分析异型带材经挤出机定型冷却时的热变形、应力分布和烘箱试验，优化工具用于管道结构壁的优化设计和产品定型。管道试验中的蠕变比率、换柔性和缝的拉伸强度均可由ANSYS相应的分析模块来完成。相比以往的设计方法和思路，ANSYS提供的有限元分析大大缩短了企业新型管道的研发周期，现实应用效果明显。

3 ANSYS在管道设计中的应用

3.1 环刚度设计

埋地排水排污用途的塑料管材主要承受来自管材外部的载荷，设计中管壁为具有特定形状的非承压管道。对于承受外部载荷的塑料管材而言，管材的环刚度是一个重要指标。根据材料力学理论，管材的管壁设计成特定的结构，管材既能具有很好的力学性能，又能大大降低管材的重要(材料用量)，从而降低管材成本。

按我国现在的技术规程，环刚度的选择是先初步选择，然后进行‘管道结构设计’，进行管道变形验算、强度计算、压屈失稳计算等。如果计算结果不满足要求就增大环刚度重新计算，或者减少后重新计算。

国际ISO标准对于管材的环向刚度称为环刚度，其物理意义是一个管环断面的刚度，可以用以下的公式计算:

其中:S —环刚度，kN /m2；E—材料的弹性模量，kN /m2；I—惯性矩m4/m，D—管材的平均直径，m。

实际设计中，塑钢缠绕管由Q235钢带和聚乙烯塑料符合缠绕而成，钢带的弹性模量E≈2.1×105MPa，而普通中、高密度聚乙烯的弹性模量一般在540Mpa到750Mpa之间，由此可见在塑钢缠绕管环刚度理论计算时聚乙烯材料对管材环刚度影响可以忽略。则上式可推导出：

其中：E—材料的弹性模量，kN /m2；h—钢带厚度，m；b—钢带宽度，m；D—管材的平均直径，m；c—单的带材截面长度。

通过理论公式计算出来的环刚度与实际生产管材的环刚度有不小的误差，因为：(1)设计中为便于计算，将管材的环刚度简化为增强钢带的环刚度；（2）理论计算中，未考虑带材螺旋缠绕结构对环刚度的影响；

对环刚度的设计应用的是ANSYS的结构力学分析模块，通过分别建立增强钢带和包覆PE的有限元模型并分配不同的材料属性，施加符合标准的约束和载荷，ANSYS求解出管道发生3%变形时的反作用力，通过转换计算就能求出非常精确的环刚度数值。与理论计算法相比，由于ANSYS分析模型完全模拟真实的管壁结构，计算精度更高，如下图1所示。

3.2 聚乙烯挤出成型冷却的热变形分析

华瀚管道生产的塑钢缠绕管由钢塑复合的异型带材(如下图2所示)经螺旋缠绕焊接（搭接面上挤出焊接）制成(如下图3所示)。在设计中，异型带材为满足缠绕成型的要求，需设计出焊接用的搭接边，聚乙烯挤出成型经水冷时，在自重和水流冲击作用下搭接边会翘曲，而设计的搭接边尺寸将影响翘曲幅度。以往设计时，设计人员都是根据经验确定，后由带材试验数据调整设计尺寸。由于存在设计和加工周期，产品的定型时间拖的很长，不仅浪费企业生产资源，还会影响新产品的研发进度，给企业带来损失。

ANSYS软件具有强大的热变形仿真能力，能够准确的模拟热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射，且均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有热结构耦合分析能力，设计人员通过建立带材的截面模型，并分配给增强钢带和聚乙烯及外部环境的热力学参数，能够在计算机上再现带材冷却定型时的截面热变形，设计人员根据仿真数据修正带材截面尺寸直至符合产品性能要求。由于全部设计过程均在计算机上实现，设计周期短，计算结果准确，加快产品研发进度和提高产品的使用性能。

3.3 缠绕管的优化设计

图1 ANSYS环刚度设计中的输出结果

图2 塑钢缠绕管异型带材截面

图3 塑钢缠绕管成品

现有的生产模式是：当企业设计一种管道产品并试制成功后，为提高产品的市场竞争力，设计人员会在保证产品使用性能如环刚度等级、管材稳定性和使用寿命前提下，通过更合理的管材结构来降低原材料的用量以提高产品性价比。而对于企业设计部门来说，这个优化环节往往因牵扯到更多部门如设计、生产和测试，往往周期更长且完成难度很大。

图4 缠绕管带材成型工艺中的塑变分析

ANSYS自带的优化工具箱就能很好的解决管道结构壁的优化设计问题，而这些工作均由计算机完成。设计人员需要首先收集已有产品的使用或测试数据，一般包括结构壁设计参数、环刚度试验数据、材料用量等，并将此类数据作为设计变量引入ANSYS，而状态变量(也即约束条件)一般为：环刚度SN、结构壁管的截面尺寸限制条件，而优化目标设定为管材的材料体积(需分列钢带与聚乙烯，因二者价格不同)，也可经计算设定为管材的单价。为保证优化结果更加可靠，建立的优化模型一定按照设计图纸完成。通过这种方法重新设计管材结构，在提高研发周期前提下显著的降低了产品成本，给公司带来了明显的效益。

3.4 缠绕管的生产试验

除了设计应用，华瀚管道还将有限元法运用到了管道产品的生产和试验验证中。塑钢复合的带材缠绕成型过程中会发生塑性变形，而这个变形量的大小除了带材的设计因素，与缠绕成型工艺关系更加密切。以往因缺乏理论验证和试验数据，致使大口径的缠绕管出现鼓包现象，通过ANSYS的分析，公司很好的解决了问题保证新产品按研发进度进行，如下图4所示。

在新产品完成设计但未试制前，为验证管道是否满足行业标准规定，公司运用ANSYS的帮助，在计算机上分析管材的冲击性能、烘箱试验及蠕变，通过分析结果来修正产品存在的设计缺陷和不足。

4 结论

ANSYS是世界上应用最广泛的高级CAE工具之一，华瀚管道借助其优异的有限元分析功能成功解决了管道设计和生产难题，比较传统的理论设计方法优势非常明显，不仅缩短研发周期且大大提高了管道的使用性能和性价比。由此我们相信，ANSYS及其他先进的设计方法将在管道产品的生产中扮演越来越重要的角色。

1 小飒工作室，最新经典ANSYS及WorkBench教程，第一版，北京：电子工业出版社，2004.6

2 龚曙光，ANSYS工程应用实例解析，第一版，北京：机械工业出版社，2003.3

3 周毅锦、李永生，波纹管非线性特性的有限元分析，南京：南京化工大学学报，1999.7

It is a trend that plastic underground pipe are gradually replacing steel pipe in the use of drainage, and new structural-wall pipe move quicker,advanced pipe structual design will get much attention from pipe manufacturer. This paper is to expound all advantages of adopting advanced design method for pipe manufacturer through comparision of fi nite element method and traditional calculation method, and indicate that new advanced design technique will push the development of underground pipe.

Steel Reinforced Spirally Wound Polyethylene Drainage Pipe, Ring Stiffness, Thermal Deformation, Optimized Design, Finite Element.