基于ANSYS的塑料化粪池力学分析与加强方案探讨

赵 猛，童 薇，高建和，魏春良，周听昌

（1．扬州大学 机械工程学院，江苏 扬州 225127；2．云南普尔顿企业集团，云南 昆明 650106）

0 引言

当下，经济快速发展、人口急剧膨胀所带来的各种环境问题，正严重影响着城市居民的日常生活，制约了城市的健康发展，因而，“绿色、环保”已成为人们日益关注的话题。随着政府对城市排水工程的重视，各种新型的排水管道与设备正逐渐进入人们的视野。塑料化粪池就是这样一种新兴的环保埋地装置，这种产品通常采用聚乙烯、高密度聚乙烯或增强聚丙烯等材料制作而成［1］。在实际的使用中，由于地下环境复杂多变，对于塑料化粪池结构的影响难以预测，因此为了确保其性能，应着重考虑化粪池自身的强度问题。本文以云南普尔顿集团生产的塑料化粪池为基础，通过增设加固件来探讨对其整体性能的影响。

1 建立塑料化粪池模型

本文分析的化粪池是通过注塑工艺一次成型组件，采用螺栓法兰连接方式，可在施工现场按需要组装成任意规格、任意大小的化粪池。它的投用成功解决了夸砌结构化粪池的渗漏、使用寿命短、运行状况差、维护困难，以及钢筋混凝土化粪池造价高、施工周期长等问题。塑料化粪池的尺寸和材料参数分别见表1、表2，塑料化粪池模型如图1所示。

2 有限元分析

2．1 模型处理及单元划分

建立好的化粪池三维模型结构较为复杂，且在理想状况下任意对侧的载荷均对称，为了减少计算量，对模型进行简化，即选取模型的1／4进行分析，导入ANSYS划分网格后如图2所示。划分网格时采用8节点的Solid45单元，每个节点有沿着X、Y、Z三个方向平移的自由度，单元具有塑性、大变形、大应变的能力［2］。在低于屈服应力的条件下化粪池基本处于弹性变形范围内，可将材料的变形看作各向同性的线性变形，分析时仅考虑材料的弹性变形［3，4］。

表1 塑料化粪池主要尺寸 mm

表2 材料参数

图1 塑料化粪池模型

图2 塑料化粪池有限元模型

2．2 设置约束

在实际安装时，需要在化粪池底部铺设褥垫层，因此首先对其下半部外壁面和肋板上的节点施加约束。在平行于YOZ的面上节点施加X方向约束，平行于XOZ的面上节点施加Y方向约束，平行于XOY的面上节点施加Z方向约束；其次，由于选取了模型的1／4进行计算，所以还需要在Y、Z方向的截面上施加对称约束。

2．3 施加载荷

根据相关技术规程［5］可知，排水工程管道、检查井等结构上的载荷分为永久载荷和可变载荷两类，本文在计算模型时只考虑作用在其上的永久载荷，包括竖向土压、土壤侧压力、土壤下曳力、内部水压力，化粪池受力分布情况如图3所示。

图3 化粪池受力分布情况

单位长度上的竖向土压Fsv，k（kN／m）按下式计算：

其中：γs为回填土的重度，kN／m3，这里取18kN／m3；Hs为筒顶至计算截面的的覆土高度，m；D1为筒体外径，m。

作用在化粪池上的侧向土压力为Fep，k（kN／m2），其标准值按下式计算：

其中：Ka为主动土压力系数，对砂土或粉土可取1／3，对黏土可取1／3～1／4，此处取1／3；Z为自地面至计算截面处的深度，m。

沿化粪池外壁切线方向单位面积上的下曳力为TA（kPa），其标准值按下式计算：

其中：Fep，k1为作用在化粪池顶部井壁上的侧压力标准值，kPa；Fep，k2为作用在化粪池底部井壁上的侧压力标准值，kPa；μ为化粪池外壁与回填土之间的摩擦系数。

2．4 计算结果

有限元分析时，按照与实际安装时相同的步骤分6种工况进行计算：①化粪池中注水一半，筒外铺设0．5m褥垫层；②化粪池中注满水，回填土至化粪池顶部；③覆土0．5m；④覆土1m；⑤覆土1．5m；⑥覆土2m。

图4是覆土为2m时化粪池的应力、变形情况，详细的工况①～工况⑥的应力、变形值见表3。

由图4和表1中数据可知，化粪池在覆土2m，即安装完毕后的应力值和变形值均较大，且危险点出现在模型上部收口处附近，因此为了确保其性能，可以考虑在此处增设支撑装置，以提高化粪池的强度。

2．5 加强计算

加强方案选择在3个不同位置对称地增设钢杆，分析比较不同方案对化粪池结构性能的影响，图5为原模型和3个不同加强方案的模型图。

对新建立的模型依然按照6种工况进行计算，图6～图8为3种模型在覆土2m时的应力、变形云图。

图4 化粪池覆土2m时最大应力和最大变形

表3 模型在6种工况下的计算结果

图5 化粪池原模型及加强方案模型图

图6 方案一覆土2m最大应力和最大变形

将计算得到的数据生成曲线，如图9所示。从图9中对比可以看出：方案一在覆土2m时最大应力在4种模型中最小，其最大位移也相对较小；方案二在覆土2m时最大位移在4种模型中最小，其最大应力也相对较小；方案三没有实现加强的效果。因此在今后的实际优化工作中，可以参考一、二两种方案对化粪池设置支撑，以增加其结构强度。

图7 方案二覆土2m最大应力和最大变形

图8 方案三覆土2m最大应力和最大变形

3 结论

根据实际安装步骤，运用有限元软件，计算得出了塑料化粪池在不同覆土深度下的应力及变形情况。在确定了危险区域后，针对性地实施加强方案，初步探讨了增设支撑对模型整体性能的影响，分析结果对比得出了较优的方案，为今后塑料化粪池的结构改进奠定了基础。

图9 各方案最大应力、最大变形随覆土深度变化曲线

［1］ 曾娜，肖锐．室外排水新产品的应用前景［J］．甘肃科技，2010，26（18）：156－157，204．

［2］ 李黎明．ANSYS有限元分析实用教程［M］．北京：清华大学出版社，2005．

［3］ 乔生儒．复合材料细观力学性能［M］．西安：西北工业大学出版社1997．

［4］ 周友坤，程赫明，李又村．聚合物基复合材料检查井盖结构的有限元优化设计［J］．昆明冶金高等专科学校学报，2007，23（5）：16－20．

［5］ 云南省市政工程质量检测站．DBJ 53／T－25－2010塑料排水检查井应用技术规程［S］．昆明：云南科技出版社，2010：8－11．