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大型玻璃钢污泥沉积池罩有限元模型的建立及求解

发布时间:2015-04-30 10:17:56  来源:  作者: 查看:

   大型玻璃钢污泥沉积池罩有限元模型的建立及求解

  1、基本结构设计

  产品概念性构想是复合材料产品外形和结构设计的重要环节,本文针对产品技术要求构建了玻璃钢污泥沉积池罩的雏形,如图1所示。设计的污泥沉积池罩直径34m,单瓣跨度巧m,一端固定在半径为2m的电机圆柱形桶壁上,为了不影响电机的转动和维修桥的架设,以及方便电机部分的维护和保养,安装点高度设计为2m,另一端固定在以污泥沉积池中心为圆心,半径为17m的圆形钢筋混凝土结构的地基上。此结构为大跨度的薄壁结构,参照大型玻璃钢屋盖和育顶的设计原理,选择了波形断面桶拱结构川。它具有刚度高、抗弯性和稳定性好的特点。为便于运输和吊装,污泥沉积池罩采用了对称分瓣组合形式,由36瓣组成,每瓣的大圆弧小于3m;为了提高整体刚度还采用了壳体翻边连接方式,在壳体上自然形成一圈T型筋,每瓣之间、上下端与固定支之间均采用法兰联接,螺栓固定,所以整个罩体基本上是带加强筋的回转壳体结构(2)。罩体组装后无倒灌水和驻水现象。罩以玻璃钢为主体材料,辅以聚氨醋泡沫及其它材料复合制造而成。玻璃钢污泥沉积池罩主要受到冬季雪载和自重的影响。在上述载荷共同作用下,材料许用应力必须具有足够的安全系数,为各种因素的影响提供一定的强度储备,刚度要求最大变形挠度小于l0mm.

  2、有限元模型的建立、约束条件和载荷施加

  污泥沉积池罩尺寸满足h/Rm;.(h为厚板,R为中曲面的曲率半径)比值小于20,以手糊铺层方式成型,所以罩的主体选用了具有6个自由度,适于非线性大应变分析的she1191壳单元,并采用四边结构改良的备选方案,不参与优化设计.

  根据第对玻璃钢污泥沉积池罩的分析,罩的内外端面施加固定支,即约束全部自由度,由于采用了循环对称分析算法,无需施加对称边界约束条件。加自重载荷时,考虑在ANSYS分析中忽略螺栓等附加重量,模型重量相比实际自重偏低的问题,对玻璃钢的密度进行了修正,附加载荷系数设为1.05。整个污泥沉积池罩需要大约2300个螺栓固定,重量大约在700一800纯,整个玻璃钢罩的净重约12t0由于手糊玻璃钢制品厚度离散较大,通常有超厚现象,设超载系数1.2,所以计算时玻璃钢密度最终被修正为2.268x103Kg/m-3。根据产品安装地区(华北某地)10a最高降雪厚度为190mm的气象信息,全年积雪超载系数按1.2对积雪总重加权,由于罩体表面很难用函数来定义确定,因此本文借助于SURF154表面单元在异形面上完成了雪载的施加。

  3、有限元求解

  为了能调用自动循环对称算法,选择在ANSYS多物理场下进行分析求解。作为循环对称分析的循环部件必须具有类似于扇区的结构形式,转动的角度应能被360度整除,污泥沉积池罩单瓣扫过的角度为10度,整除数为36满足要求。在循环对称分析中系统首先对单个的循环对称单元进行求解,然后再利用这个计算结果构建出整个循环对称系统对此做出的响应行为,利用此算法能在相对较小的计算开支内求得整个系统的受力状态。

  优化设计模块是ANSYS多物理场程序的一个重要模块。最优设计方案旨在满足所有设计要求的条件下所需的支出(如重量、面积、体积、应力、费用等)最小。优化设计的基本原理是通过构建优化模型,运用各种优化方法,通过在满足设计要求的条件下的计算,求得目标函数的极值,得到最优设计方案。其过程是一系列的分析、评估及修正的循环过程,即对于初始设计进行分析,对分析结果及设计要求进行评估,然后修正设计[4]。

  由于玻璃钢污泥沉积池罩没有现成的原形,设计的控制因素很多,对变量的迭代控制很难实现。因此根据产品要求,首先设计了玻璃钢污泥沉积池罩的雏形,对其进行了基本受力分析,发现存在的问题,归纳总结影响结构的重要控制因素,在此基础上再进行模型的修改和优化。在优化分析阶段,将壁厚作为设计变量,SEQV应力作为状态变量,其控制范围为应力小于13MPa;把总重作为目标函数,选择一阶作为优化方法,最大迭代次数40次,收敛计算结束后查看结果。为了提高产品的刚度,将最大挠度值降到lomm以下。参照受力情况,在优化设计的基础上,对模型变形较大的区域进行了加筋改良处理,同时通过改变铺层角度等方式提高产品强度。由于罩子为大跨度的薄壳结构,稳定问题是必须考虑的,因此本文还对最终的产品结构进行了屈曲特征值校核分析。

 大型玻璃钢污泥沉积池罩有限元模型的建立及求解

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