PVC市政檢查井模具模型分析及參數優化

白李平

（河源技師學院，廣東河源 517000）

0 引言

當前，PVC市政塑料檢查井又被稱之為“塑料窨井”，是城市市政建設過程中常使用的塑料管件，應用范圍較為廣泛，具備施工操作簡單、體積小、抗滲性能高、使用時間長等多種優點[1]。塑料檢查井施工投入使用后，須承受不同車輛帶來的重力沖擊，因此需要加大的模型剛強度的重視程度，其中最為關鍵的是研究“模型剛強度”技術，本研究以正交試驗設計方式為基礎，引入ANSYS軟件，重點探究三種不同參數對于PVC市政檢查井模具模型的影響情況，并對其進行優化組合，以期尋求最佳組合方式。

1 模型概述

1.1 三維立體模型介紹

本研究大型的塑料檢查井井座模具原材料為40Cr鋼材，綜合性較強，模具特征如表1所示。結合試驗需要以及現有產品，井座尺寸的基本數據見表2，三維建模過程借助Pro/E軟件，具體如圖1所示。

表1 模具材料特征

表2 井座尺寸j基本數據

結合以往研究成果，分析模具型腔不同結構后可知，建議使用圖2，其合理性、使用性更為突出[2]，基于此，本研究模具型腔側面與型腔之間的厚度（周圍壁厚）為80 mm、底部壁厚為20 mm。

圖1 井座三維立體模型

圖2 井座模具的三維型腔模型

1.2 有限元模型

基本步驟：

（1）使用Pro/E軟件，使用“.x_t”作為模型存儲格式，選擇符合研究需求的井座模具型腔模塊；

（2）使用“.x_t”作為模型存儲格式，引入ANSYS軟件，進行有限元模型分析；

（3）表1表示模型材料屬性，結合模具特征，使用solid187實體單元網格進行劃分。

2 正交試驗的環節分析

2.1 試驗的步驟簡述

本次試驗緩解設計中，筆者采用了Minitab DOE。通過對多種影響指標的因素進行分析來計算在不同水平下的可行參數組合，其步驟如圖3所示。

圖3 設計Minitab DOE試驗的步驟

2.2 正交試驗研究方案與試驗結果

影響井座模具的受力變形因素較為復雜，包括注射壓力值、周圍壁厚量以及底部壁厚量，因此[3]，筆者就采用上述參數作為實驗的因子，依據Minitab DOE試驗的基本原則，選取因素，來構建正交試驗環節，詳細如表3所示，計算對應參數水平的ANSYS模擬結果。參考L25正交表的數值，利用模擬軟件ANSYS，計算出如表4所示的結果。

該試驗目標為：基于某鎖模力的作用下，分析模擬結果的變量與均值，并結合試驗影響因素在方差的百分比，而明確不同參數對于應力、應變的影響大小，最終計算出參數在應用過程的最佳組合。

表3 影響因素分析

表4 試驗結果分析

橫坐標代表參數，即注射壓力值、周圍壁厚量以及底部壁厚量，縱坐標代表均值，即應變、應力均值；當極差變化越大時，說明影響因子水平的參數會對指標的影響較大，換言之，因子對于指標影響程度也相應變大[4]。從分析可知，參數對于應變、應力均值的影響程度為：周圍壁厚量最大，底部壁厚量次之，注射壓力值最小；同時，因子的最佳組合為：一是周圍壁厚量控制在80或者100毫米；二是底部壁厚量控制在20毫米，三是注射壓力控制在60MPa。該結果與第9號實驗（表4）略有不同，主要體現在周圍壁厚上，基于此，必須進一步論證模具剛強度中周圍壁厚的影響大小。

分析模擬結果的變量情況可根據表5與表6數值，獲得不同參數對于應變、應力的影響大小，其對應力的影響分別為：注射壓力(23.55%)＜底部壁厚(30.05%)＜周圍壁厚量最大（46.35%），其對應變的影響排列順序：周圍壁厚量（48.90%）＞底部壁厚量(27.40%)＞注射壓力(23.70%)。

表5 模具型腔應力均值表

表6 模具型腔應變均值表

結合相關數據表格，應變、應力的變化趨勢為：

（1）影響模具剛強度的首要因素為周圍壁厚，在某范圍中，如果周圍壁厚量增加，應變、應力值會相應變小[5]。

（2）影響模具剛強度的第二因素為底部厚度，具體表現為：①底部厚度為30～50毫米范圍時，如果底部厚度變大，應變、應力值會相應變小；②底部厚度為20～30毫米范圍時，如果底部厚度變大，應變、應力值會相應變大；③底部厚度為10～20毫米范圍時，如果底部厚度變大，應變、應力值會相應變大[6]。

（3）影響模具剛強度的最小因素為注射壓力，當注射壓力處于60～100 MPa時，應變、應力值會相應上升。

3 結論

綜上所述，本研究利用正交試驗設計法以及“AN?SYS”新型有限元分析軟件，深入探究影響模具剛強度的因素，主要分為三種參數，即注射壓力值、周圍壁厚量以及底部壁厚量，根據試驗結果可知，不同參數對于模具剛強度的影響程度為：周圍壁厚量最大，底部壁厚量次之，注射壓力值最小，因井座模具剛強度受周圍壁厚量的影響大，故設計時應特別注意此因素。試驗也表明，設計模具結構的最優參數組合為：一是周圍壁厚量控制在80或者100毫米；二是底部壁厚量控制在20毫米，三是注射壓力控制在60 MPa，可供其他設計師參考借鑒。