有限元法在塑鋼纏繞排水管設計中的應用研究

董勉勵 陳新風 付明明

(深圳 518118)

有限元法在塑鋼纏繞排水管設計中的應用研究

董勉勵 陳新風 付明明

(深圳 518118)

塑料埋地管材逐步取代傳統剛性管材已成為一種趨勢，而新型的結構壁管發展更加迅速，結構壁管的先進設計也引起管道生產企業的足夠重視。本文通過對比有限元法與傳統理論計算方法在產品研發過程中的優勢來說明采用先進設計方法將會給管道企業帶來的好處，指出更多先進的設計技術將會推動埋地管道更快的發展。

鋼塑纏繞管，環剛度，熱變形，優化設計，有限元

1.背景

以往，我國的埋地排水管基本上采用的是鑄鐵管、混凝土管和鋼筋混凝土管等剛性管道系統。近半個世紀以來，隨著高分子材料及高分子聚合技術的快速發展，管道領域發生了重大變革，“以塑代鋼”成為一種趨勢，國際上塑料埋地排水管已經廣泛應用了幾十年。由于塑料埋地排水管的獨特優越性加上政府的鼓勵和支持，近年來國內應用市場迅速發展。

深圳華瀚管道科技有限公司(以下簡稱華瀚管道)是一家專業從事給排水管道的研發、生產、銷售的高新技術企業，塑鋼纏繞管是華瀚管道產品中自主創新，擁有自主知識產權的新型鋼塑復合重力自流管道產品，屬于纏繞成型法制成的結構壁管的一種，該種管道既有鋼的強度和剛性，又具備塑料的柔性和防腐蝕性。

本文結合有限元分析軟件ANSYS在華瀚管道產品研發中的使用情況，說明新的設計方法在管道生產中的應用特點，并比較與傳統的理論設計方法的優勢。

2. ANSYS介紹

ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發，它能與多數CAD軟件接口，實現數據的共享和交換，如Pro/Engineer, NASTRAN, IDEAS, AutoCAD等,是現代產品設計中的高級CAE工具之一，可以用來求解結構、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。在航空航天、汽車工業、生物醫學、橋梁、建筑、電子產品、重型機械等行業領域應用廣泛。

結合華瀚管道產品的特點，公司設計人員運用ANSYS的結構力學模塊計算管道的環剛度和應力變形及沖擊試驗，熱力學模塊分析異型帶材經擠出機定型冷卻時的熱變形、應力分布和烘箱試驗，優化工具用于管道結構壁的優化設計和產品定型。管道試驗中的蠕變比率、換柔性和縫的拉伸強度均可由ANSYS相應的分析模塊來完成。相比以往的設計方法和思路，ANSYS提供的有限元分析大大縮短了企業新型管道的研發周期，現實應用效果明顯。

3 ANSYS在管道設計中的應用

3.1 環剛度設計

埋地排水排污用途的塑料管材主要承受來自管材外部的載荷，設計中管壁為具有特定形狀的非承壓管道。對于承受外部載荷的塑料管材而言，管材的環剛度是一個重要指標。根據材料力學理論，管材的管壁設計成特定的結構，管材既能具有很好的力學性能，又能大大降低管材的重要(材料用量)，從而降低管材成本。

按我國現在的技術規程，環剛度的選擇是先初步選擇，然后進行‘管道結構設計’，進行管道變形驗算、強度計算、壓屈失穩計算等。如果計算結果不滿足要求就增大環剛度重新計算，或者減少后重新計算。

國際ISO標準對于管材的環向剛度稱為環剛度，其物理意義是一個管環斷面的剛度，可以用以下的公式計算:

其中:S —環剛度，kN /m2；E—材料的彈性模量，kN /m2；I—慣性矩m4/m，D—管材的平均直徑，m。

實際設計中，塑鋼纏繞管由Q235鋼帶和聚乙烯塑料符合纏繞而成，鋼帶的彈性模量E≈2.1×105MPa，而普通中、高密度聚乙烯的彈性模量一般在540Mpa到750Mpa之間，由此可見在塑鋼纏繞管環剛度理論計算時聚乙烯材料對管材環剛度影響可以忽略。則上式可推導出：

其中：E—材料的彈性模量，kN /m2；h—鋼帶厚度，m；b—鋼帶寬度，m；D—管材的平均直徑，m；c—單的帶材截面長度。

通過理論公式計算出來的環剛度與實際生產管材的環剛度有不小的誤差，因為：(1)設計中為便于計算，將管材的環剛度簡化為增強鋼帶的環剛度；（2）理論計算中，未考慮帶材螺旋纏繞結構對環剛度的影響；

對環剛度的設計應用的是ANSYS的結構力學分析模塊，通過分別建立增強鋼帶和包覆PE的有限元模型并分配不同的材料屬性，施加符合標準的約束和載荷，ANSYS求解出管道發生3%變形時的反作用力，通過轉換計算就能求出非常精確的環剛度數值。與理論計算法相比，由于ANSYS分析模型完全模擬真實的管壁結構，計算精度更高，如下圖1所示。

3.2 聚乙烯擠出成型冷卻的熱變形分析

華瀚管道生產的塑鋼纏繞管由鋼塑復合的異型帶材(如下圖2所示)經螺旋纏繞焊接（搭接面上擠出焊接）制成(如下圖3所示)。在設計中，異型帶材為滿足纏繞成型的要求，需設計出焊接用的搭接邊，聚乙烯擠出成型經水冷時，在自重和水流沖擊作用下搭接邊會翹曲，而設計的搭接邊尺寸將影響翹曲幅度。以往設計時，設計人員都是根據經驗確定，后由帶材試驗數據調整設計尺寸。由于存在設計和加工周期，產品的定型時間拖的很長，不僅浪費企業生產資源，還會影響新產品的研發進度，給企業帶來損失。

ANSYS軟件具有強大的熱變形仿真能力，能夠準確的模擬熱傳遞的三種基本類型：傳導、對流和輻射，且均可進行穩態和瞬態、線性和非線性分析。熱分析還具有熱結構耦合分析能力，設計人員通過建立帶材的截面模型，并分配給增強鋼帶和聚乙烯及外部環境的熱力學參數，能夠在計算機上再現帶材冷卻定型時的截面熱變形，設計人員根據仿真數據修正帶材截面尺寸直至符合產品性能要求。由于全部設計過程均在計算機上實現，設計周期短，計算結果準確，加快產品研發進度和提高產品的使用性能。

3.3 纏繞管的優化設計

圖1 ANSYS環剛度設計中的輸出結果

圖2 塑鋼纏繞管異型帶材截面

圖3 塑鋼纏繞管成品

現有的生產模式是：當企業設計一種管道產品并試制成功后，為提高產品的市場競爭力，設計人員會在保證產品使用性能如環剛度等級、管材穩定性和使用壽命前提下，通過更合理的管材結構來降低原材料的用量以提高產品性價比。而對于企業設計部門來說，這個優化環節往往因牽扯到更多部門如設計、生產和測試，往往周期更長且完成難度很大。

圖4 纏繞管帶材成型工藝中的塑變分析

ANSYS自帶的優化工具箱就能很好的解決管道結構壁的優化設計問題，而這些工作均由計算機完成。設計人員需要首先收集已有產品的使用或測試數據，一般包括結構壁設計參數、環剛度試驗數據、材料用量等，并將此類數據作為設計變量引入ANSYS，而狀態變量(也即約束條件)一般為：環剛度SN、結構壁管的截面尺寸限制條件，而優化目標設定為管材的材料體積(需分列鋼帶與聚乙烯，因二者價格不同)，也可經計算設定為管材的單價。為保證優化結果更加可靠，建立的優化模型一定按照設計圖紙完成。通過這種方法重新設計管材結構，在提高研發周期前提下顯著的降低了產品成本，給公司帶來了明顯的效益。

3.4 纏繞管的生產試驗

除了設計應用，華瀚管道還將有限元法運用到了管道產品的生產和試驗驗證中。塑鋼復合的帶材纏繞成型過程中會發生塑性變形，而這個變形量的大小除了帶材的設計因素，與纏繞成型工藝關系更加密切。以往因缺乏理論驗證和試驗數據，致使大口徑的纏繞管出現鼓包現象，通過ANSYS的分析，公司很好的解決了問題保證新產品按研發進度進行，如下圖4所示。

在新產品完成設計但未試制前，為驗證管道是否滿足行業標準規定，公司運用ANSYS的幫助，在計算機上分析管材的沖擊性能、烘箱試驗及蠕變，通過分析結果來修正產品存在的設計缺陷和不足。

4 結論

ANSYS是世界上應用最廣泛的高級CAE工具之一，華瀚管道借助其優異的有限元分析功能成功解決了管道設計和生產難題，比較傳統的理論設計方法優勢非常明顯，不僅縮短研發周期且大大提高了管道的使用性能和性價比。由此我們相信，ANSYS及其他先進的設計方法將在管道產品的生產中扮演越來越重要的角色。

1 小颯工作室，最新經典ANSYS及WorkBench教程，第一版，北京：電子工業出版社，2004.6

2 龔曙光，ANSYS工程應用實例解析，第一版，北京：機械工業出版社，2003.3

3 周毅錦、李永生，波紋管非線性特性的有限元分析，南京：南京化工大學學報，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.