基于ANSYS的透明砂水槽靜力學(xué)分析

吳俊輝，倪福生，楊建，顧磊

（1.河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州213022;2.河海大學(xué)疏浚技術(shù)教育部工程研究中心，江蘇 常州213022;3.南京長峰航天電子科技有限公司，江蘇南京 210000）

0 引言

疏浚業(yè)的蓬勃發(fā)展對疏浚設(shè)備的研發(fā)和疏浚技術(shù)的進(jìn)步提出了更高的要求。目前，國內(nèi)外一般采用砂水槽來模擬河道，盛放疏浚土壤，用以研究不同的施工參數(shù)對疏浚產(chǎn)量的影響［1］。這些砂水槽一般采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，雖然成本低廉、搭建簡單，但是其可視性差，不便于觀察絞刀周圍泥砂運(yùn)動情況。因此，河海大學(xué)疏浚實(shí)驗(yàn)室搭建透明砂砂水槽實(shí)驗(yàn)平臺，用PIV記錄泥砂粒子的運(yùn)動過程，既提高了精度，又便于實(shí)驗(yàn)觀察。

透明砂水槽承載時(shí)，受到水和泥砂的梯度載荷，且由于水和泥砂密度不同，該梯度載荷斜率也不同，這就給受力分析工作帶來了不便。此外，玻璃與鋼結(jié)構(gòu)之間的力學(xué)模型處理也是一個(gè)難點(diǎn)。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算中，由于難以采用合適的計(jì)算模型，計(jì)算其應(yīng)力分布相對困難，為了安全起見，往往采用較保守的計(jì)算方法，使得結(jié)構(gòu)尺寸過大，大幅增加了建造成本。隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，有限元數(shù)值分析方法在設(shè)計(jì)生產(chǎn)中得到了越來越多的應(yīng)用，采用有限元分析方法，利用三維實(shí)體模型可以真實(shí)的模擬復(fù)雜區(qū)域的載荷及邊界條件，并計(jì)算出最接近真實(shí)條件的應(yīng)力變形分布情況［2］。

1 有限元模型的建立

透明砂水槽總長9 m，寬1.8 m，高2.2 m，主要由混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)框架和鋼化玻璃三個(gè)部分組成。鋼結(jié)構(gòu)之間采用焊接，鋼結(jié)構(gòu)與鋼化玻璃之間采用玻璃膠粘接，并用壓板壓緊。

目前各個(gè)CAD/CAM軟件彼此之間的模型通用性較差，在導(dǎo)入過程中經(jīng)常發(fā)生部分模型數(shù)據(jù)丟失的情況［3］，通過操作ANSYS GUID（圖形用戶界面）進(jìn)行建模。鋼化玻璃在其承載范圍之內(nèi)，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系符合彈性材料的線性曲線，因此所有材料均按彈性材料處理［4］。

鋼結(jié)構(gòu)和鋼化玻璃厚度不大（相對于長寬方向），且變形以翹曲為主，采用shell63單元進(jìn)行建模。共劃分了93 937個(gè)節(jié)點(diǎn)，92534個(gè)單元。網(wǎng)格劃分后的模型如圖1所示。

圖1 透明砂水槽有限元模型

約束條件:鋼結(jié)構(gòu)框架底部都預(yù)埋在了鋼筋混凝土中，鋼結(jié)構(gòu)框架的六個(gè)自由度被完全限制。鋼化玻璃通過玻璃膠與鋼結(jié)構(gòu)緊密貼合，并用壓塊壓緊，本文將此連接耦合為固結(jié)，其六個(gè)自由度也被完全限制。

2 透明砂水槽靜力學(xué)分析

2.1 砂水槽所用材料及載荷分布

砂水槽主體結(jié)構(gòu)由#20、#16槽鋼及鋼化玻璃構(gòu)成。其中，砂水槽兩端兩塊玻璃尺寸為1 800 mm×1 150 mm，其余玻璃尺寸為1 500 mm×1 150 mm，為了保證砂水槽的密封性，玻璃與周邊框架搭載寬度為100 mm。

為了研究鋼結(jié)構(gòu)和鋼化玻璃在最大裝載量時(shí)的應(yīng)力、變形是否在其允許范圍之內(nèi)，本文選取砂水槽最大裝載量的情況進(jìn)行分析，即:砂水槽水位1.1 m，其中水深0.3 m，槽底泥砂高為0.8 m。所受載荷主要是由水壓和泥砂的靜壓力產(chǎn)生的面載荷，因此根據(jù)水和泥砂的不同密度，定義了不同斜率的梯度載荷。

玻璃厚度初選10 mm，透明砂水槽應(yīng)力及變形云圖分別如圖2（a）及圖2（b）所示。顏色的深淺表示結(jié)構(gòu)中不同的應(yīng)力、變形。

圖2 砂水槽和應(yīng)力變形云圖

2.2 應(yīng)力分析

對圖2（a）結(jié)果進(jìn)行分析可知，水和泥砂對砂水槽內(nèi)表面施加的是梯度載荷，沿－y方向，砂水槽內(nèi)表面受到的壓力逐漸增大，且鋼結(jié)構(gòu)底部預(yù)埋在了混凝土中，其自由度被完全約束，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在鋼結(jié)構(gòu)框架底部為106 MPa，遠(yuǎn)小于槽鋼的許用應(yīng)力 215 MPa［5］。

由于鋼化玻璃的許用應(yīng)力遠(yuǎn)小于槽鋼的許用應(yīng)力，本文對鋼化玻璃上的應(yīng)力進(jìn)行了校核，以確保其最大應(yīng)力在許用范圍之內(nèi)。

長期荷載作用下玻璃強(qiáng)度設(shè)計(jì)值可按下式計(jì)算［6］:

式中:c1—玻璃種類系數(shù);c2—玻璃強(qiáng)度位置系數(shù);c3—荷載類型系數(shù);c4—玻璃厚度系數(shù);f0—短期荷載作用下，平板玻璃中部強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取28 MPa。

根據(jù)圖2（b）結(jié)果可知鋼化玻璃上的最大應(yīng)力約為34.1 MPa，已經(jīng)超出了鋼化玻璃的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值約21%。

2.3 變形分析（圖3）

對圖3（a）結(jié)果進(jìn)行分析可知，由于鋼化玻璃四邊皆與鋼結(jié)構(gòu)貼合，其四周被完全約束，且由于施加的是梯度載荷，沿－y方向越來越大，故砂水槽最大變形出現(xiàn)在鋼化玻璃的中偏下位置處。局部放大圖如圖3（b）所示。

圖3 變形云圖

根據(jù)《建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》規(guī)定承受水壓時(shí)，四邊支撐型鋼化玻璃的變形最大值不得大于其短邊跨度的1/500［6］，即:

式中:L—玻璃短邊跨度;b—玻璃寬度;

h—玻璃與鋼結(jié)構(gòu)貼合部分長度;u—玻璃允許變形量;

根據(jù)圖3（b）結(jié)果可知鋼化玻璃的最大變形為:DMX=3.39 mm，已超過其許用變形（1.9 mm）約79%。

3 選用更厚的玻璃進(jìn)行分析

通過對透明砂水槽的應(yīng)力變形分析發(fā)現(xiàn)，對于10 mm厚鋼化玻璃，其應(yīng)力及變形都超過了其許用值，因此必須換更厚的玻璃進(jìn)行分析（圖4）。

選用19 mm鋼化玻璃分析的應(yīng)力、變形云圖如圖4（a）及4（b）所示。

圖4 玻璃變形云圖

根據(jù)應(yīng)力、變形云圖計(jì)算結(jié)果可知:鋼化玻璃的最大應(yīng)力為13.2 MPa，最大變形為0.585 mm，皆小于其許用值，并保證了足夠的安全裕度。

4 結(jié)論

通過運(yùn)用ANSYS有限元軟件對透明砂水槽進(jìn)行了靜力學(xué)分析。根據(jù)分析和計(jì)算結(jié)果，選擇了#20、#16槽鋼及厚度為19mm的鋼化玻璃作為透明砂水槽主體結(jié)構(gòu)。實(shí)際使用表明，砂水槽結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，密封良好。說明ANSYS分析方法準(zhǔn)確合理，可以為相關(guān)設(shè)計(jì)及工程建設(shè)選材提供參考。

［1］張興無，谷漢斌，李炎保.波浪水流作用下疏浚拋泥損失的砂水槽實(shí)驗(yàn)［J］.天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，37（1）:60-64.

［2］陳章勇.廢熱鍋爐管板砂水槽結(jié)構(gòu)有限元分析及強(qiáng)度評定［J］.石油化工設(shè)備，2007.

［3］白金澤，孫秦，郭英男.應(yīng)用ANSYS進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2003.

［4］李磊，安二峰，楊軍.鋼化玻璃應(yīng)變率相關(guān)的動態(tài)本構(gòu)關(guān)系［J］.功能材料，2010.

［5］GB50017－2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［S］.

［6］JGJ113.2009.《建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》［S］.