基于ABAQUS 有限元分析的聚合物井盖结构优化

许淮河，黄春环，叶子龙，林雨鹏，蔡捷鸿，李灵聪

（韶关学院 化学与环境工程学院， 广东 韶关512005）

检查井盖在人们的日常生活中非常常见，材质大多数为钢筋混凝土和铸铁，少数为塑料或复合材料.铸铁井盖存在钢铁原料价格昂贵、能源消耗大而且产生污染、容易被偷盗造成安全隐患、露天情况下易生锈等一系列的缺点.而优质的聚合物检查井盖具有回收价值低不易被盗、环保并且耐腐蚀、维护方便、绝缘防静电可以满足特殊场合使用、可以配合环境调节颜色等多种优点，还可以美化周边环境、提高城市品位［1-3］.

本文提出利用PC-ABS 合金材料制备聚合物井盖的设想.利用有限元软件ABAQUS 设计了鱼肚型和加肋型两种聚合物井盖，对其受力情况进行分析，同时优化井盖结构，为将来聚合物材料在聚合物井盖中的应用提供一定的参考.

1 ABAQUS 有限元分析

有限元法的基本思想以及概念在20 世纪40 年代初期提出，有限元法这一名词的出现最早使用于1960年美国的克拉夫（Clough R W）所发表的一篇名为“平面应力分析的有限元法”的论文［4］.随着计算机的出现及发展，计算速度的大幅度提升，有限元法逐渐应用到工程实验当中.

有限元法或称为有限单元法是现在解决工程、数学、物理等问题中使用最为广泛的数值计算方法［5］.有限元法就是一种有效的数值求解方法，它的求解结果是连续体内多个离散点未知量的近似数值.

ABAQUS 有限元分析软件具有强大的模拟功能，是目前相关领域应用最广的有限元软件之一.ABAQUS的分析过程中主要有前处理、分析计算以及后处理3 个步骤［6］.ABAQUS 软件不仅能够对多物理场和单一零件的力学进行分析，而且可以完成许多复杂的非线性问题的研究和分析.

2 应用ABAQUS 进行井盖设计及分析

2.1 井盖等级分类

分布在城市道路不同地方的检查井盖，所承受的荷载也是不一样的.井盖设施［7］按照检查井盖的承压能力将其分以下6 个等级：A15、B125、C250、D400、E600、F900，不同等级井盖适用于不同的区域.

2.2 井盖尺寸、检验方法标准

本文以塑料回收中性能较优的ABS-PC 合金为材料，以B125 型聚合物检查井盖为模板进行设计和分析.该材料的弹性模量E＝2.41×103MPa，泊松比μ＝0.389 7.检查井盖国家标准［8］对井盖试验载荷与嵌入深度做了规定，见表2.

表2 井盖试验载荷与嵌入深度国家标准

B125 井盖的嵌入深度应≥30 mm，即盖板的厚度≥30 mm；试验载荷为125 kN，施加力的形式是在井盖上部以井盖中心点为圆心、以250 mm 为直径的圆面上施加均匀面载荷.

2.3 模拟方案设计

目前市面上生产的井盖产品主要为鱼肚型和加肋型［9］两种结构，如图1 和图2 所示.

图1 鱼肚型井盖

图2 加肋型井盖

井盖盖板厚度(即嵌入深度)为50 mm，直径660 mm，通过改变鱼肚结构的厚度，分别设置鱼肚厚度为0、10、20、30、40、50、60、70、80 mm 共10 组，分析鱼肚厚度对井盖力学性能的影响.分别设置肋条宽度为60、80、100 mm 3 组，每组宽度对应20、40、60、80 mm 4 组不同厚度，分析肋条宽度和厚度对井盖力学性能的影响.

2.4 方案模拟结果分析

分别通过旋转和拉伸的方法生成鱼肚型井盖和加助型井盖的模型，然后赋予材料属性以及设定荷载类型、荷载大小、边界条件、相互作用等步骤，划分网格时先对模型进行分割再进行结构化网格划分，使得单元更加规整，用有限元软件进行模拟时，按B125 试验载荷125 kN 换算成面载荷为q＝2.547 MPa，在模拟时将井盖表面应有的防滑花纹忽略.

通过ABAQUS 软件对2.3 中的设计方案进行模拟可以得到各组参数井盖的最大应力以及形变位移.图3 和图4 是鱼肚型和加肋型井盖的应力云图和位移云图，可以看出鱼肚型井盖的最大应力主要集中在鱼肚结构的中心部位，加肋型井盖的最大应力主要集中在肋条上并且盖板上的应力明显降低.结果显示两种结构的聚合物井盖均能承受B125 类井盖最低载荷而不发生明显破坏，井盖形变较小，说明PC-ABS合金能够满足B125 类检查井盖的性能要求，具备一定的应用潜力.

图3 鱼肚型井盖应力、位移云图

图4 加肋型井盖应力、位移云图

根据图5 井盖最大应力与鱼肚厚度之间的关系以及图6 井盖最大位移与鱼肚厚度之间的关系，可以看出鱼肚结构能够明显的增加井盖的力学性能.随着鱼肚结构厚度的增加，在相同的测试条件下井盖的最大应力以及最大位移明显下降，但是在鱼肚结构厚度增加到30~40 mm 之后井盖的最大应力与最大位移变化与开始相比较为缓慢， 所以鱼肚型井盖在鱼肚结构厚度到一定程度后对井盖的力学性能影响较小，继续通过加大鱼肚结构的厚度来提升井盖力学性能效果并不明显且成本加大.

图5 井盖最大应力与鱼肚厚度的关系

图6 井盖最大位移与鱼肚厚度的关系

图7 和图8 中s 为井盖肋条宽度，从3 种宽度不同厚度肋条对加肋型井盖盖板最大应力的影响（图7）以及3 种宽度不同厚度肋条对盖板最大位移的影响（图8）可以得到肋条的厚度能够明显加强井盖的力学性能，降低井盖盖板的最大应力与最大位移，但是在肋条厚度增加到60 mm 左右时，继续增加肋条厚度对力学性能的改善作用较之前并不明显；肋条的宽度增加也能够加强井盖的力学性能，但是与增加肋条厚度相比，增加肋条宽度对井盖力学性能加强效果略差.

图7 3 种宽度不同厚度肋条对盖板最大应力的影响

图8 3 种宽度不同厚度肋条对盖板最大位移的影响

3 结论

使用有限元软件ABAQUS 模拟优化以ABS-PC 合金为材料的聚合物井盖的力学性能， 设计的两种结构井盖均能承受B125 型聚合物检查井盖规定载荷，达到检查井盖国家标准要求，具有一定的应用潜力.分析结果显示鱼肚结构厚度的增加能够增加井盖力学性能，但厚度增加到一定程度，井盖力学性能变化不明显，鱼肚厚度在40 mm 时综合性能较优且用料较少.加肋型井盖的肋条厚度和宽度增加都能提高井盖的力学性能，肋条的厚度比宽度对提升力学性能的作用更大，肋条厚度在60 mm 左右时，井盖力学性能较为优异且用料较少.利用有限元软件指导聚合物井盖制品结构设计的方法，可以达到井盖性能与经济的均衡，为实际生产过程中井盖的设计和制造提供参考.