鋁合金民用儲水箱結構設計與計算分析

李柏林，沈其明，孫國立，邵倩男，黃晶晶，王 儒

（遼寧忠旺集團有限公司，遼陽111003）

0 前言

隨著國內經濟的快速發展，人們的生活水平不斷提高，而水作為人們離不開的一種資源，人們對水的需求量也隨著生活水平的提高而不斷增加。在給水工程設計中，經常采用儲水箱作為給水系統的高峰調節儲水設備，其特點是能使體系運行經濟、可靠、操作簡單、管理方便[1]。目前，國內使用的民用水箱大部分都是用水泥混凝土砌成或是用鋼板焊接或是單元鋼板螺接拼接而成的。這類水箱重量重、強度低、安裝不便、缺乏耐久性且易產生污染，嚴重的甚至會危害人類的健康[2]。

鋁合金是一種有著百年發展歷史的輕質結構材料，現階段已發展成全球用量第二大的金屬材料，僅次于鋼鐵。特別是在20世紀中期開始，鋁合金開始大量由軍工轉向民用，成為國民基礎經濟建設中不可或缺的一類重要金屬材料[3]。由于鋁合金具有質量輕、強度高、耐腐蝕、可塑性強等優點，鋁合金制品已在生活中隨處可見，并在航天航空、交通運輸、建筑、機電等領域應用非常廣泛[4]。本文結合鋁合金自身優勢，設計出一款由多單元通過螺接固定構成的儲水箱，可應用于賓館、機關、公寓、醫療等領域，并通過計算與分析進一步驗證鋁合金儲水箱的可行性，以便后續的推廣使用。

1 外形尺寸與材料的確定

1.1 外形尺寸的確定

此次設計的鋁合金儲水箱全容積為84 m3，有效容積為72 m3，水箱外形尺寸為6 000 mm×4 000 mm×3 500 mm（L×B×H），水位高度h=3 000 mm，如圖1所示。

圖1 儲水箱外形示意圖

1.2 材料的選擇

市場上儲水箱多采用不銹鋼板、熱鍍鋅鋼板制成，無論采用何種材質均應在使用中不得對水質有污染，并應經衛生安全防疫的專門機構檢測合格。本文選用6063擠壓鋁合金作為儲水箱各構件的結構材料，這是一種可熱處理強化鋁合金，其比強度較高、成型性和耐蝕性好[5]；選用5052軋制鋁合金作為儲水箱底板的結構材料，它是一種不可熱處理強化鋁合金，具有良好的抗蝕性[6]。兩種合金材料的各自性能如表1所示。

表1 6063與5052鋁合金主要力學性能和參數

2 結構設計

2.1 箱體截面設計

箱體作為儲水箱的重要組成部分，直接影響到儲水箱整體的質量，因此箱體的截面設計十分重要。為了滿足鋁合金儲水箱箱體的強度、剛度和外觀質量的可行性，箱體截面設計為“凵”形，并且將與水接觸面設計為雙層弧形接觸面，同時夾層內設有加強筋，呈齒形，進一步提高箱體的安全性，如圖2所示。

圖2 箱體截面示意圖

2.2 整體結構設計

鋁合金儲水箱是由多單元構件通過螺接固定而成。它包括箱體構件、箱體加強構件、拐角連接構件、箱蓋構件、底板和底座構件，同時還設有檢修孔、內外爬梯等。此外，為了進一步提高鋁合金儲水箱的安全性，在儲水箱外部設有二層背楞保護構件，具體如圖3所示。其中箱體加強構件可以提高箱體構件的強度，底座構件是由橫、縱支撐桿通過交錯排布構成，呈格柵狀。儲水箱組裝完成后，在其內部覆蓋一層FRP材料，以保證儲水箱的密封性。

圖3 儲水箱結構數模

3 結構計算分析

3.1 儲水箱設計參數

鋁合金儲水箱長L=6 000 mm，寬B=4 000 mm，高H=3 500 mm，水位高度h=3 000 mm，箱頂厚度tr=5 mm，箱體厚度t=8 mm，箱底厚度tb=5 mm，水的密度ρ=1.0×10-6kg/mm3，箱體的極限撓度值為1/200×H[8]，長期載荷Ps=ρgh=1.0×10-6kg/mm3×10 N/kg×3 000 mm=0.03 N/mm，即Ps=0.03 MPa。

3.2 箱體部位應力及變形的分析與計算

箱體在儲水箱自重及靜水壓力作用下，受到壓縮應力、彎曲應力以及剪應力，該應力值在箱體與箱底連接處最大。經理論推導分析可知，按公式（1）計算各部應力值及撓度值，并與對應的許用值進行比較，判斷其安全性[7]。計算結果如下：

由此可見，儲水箱箱體的強度、剛度可以承受儲水箱自重和水壓。

3.3 箱底部位應力及變形的分析與計算

箱底部分支撐網格尺寸為：a=670 mm，b=670 mm，a/b=1。由表2可知，α=0.00126，β=-0.0513。

表2 等分布壓力作用下周邊固支長方形板的α、β值

將以上參數代入下式，并與對應的許用值進行比較，判斷其安全性。計算結果如下：

由此可知儲水箱箱底的強度、剛度可以承受水壓。

計算結果表明：當鋁合金儲水箱裝水72 m3，即儲水箱水位高度達到3 000 mm時：（1）儲水箱箱體的最大應力｜σm，max｜=0.11 MPa，小于6063-T6的屈服強度[σm]=170 MPa，最大位移δmax=2.54 mm，小于要求的17.5 mm；（2）儲水箱箱底的最大應力｜σm，max｜=165.8 MPa，小于5052-H16的屈服強度[σm]=210 MPa，最大位移δmax=4.72 mm，小于要求的10.05 mm。綜上所述，鋁合金儲水箱箱體和箱底的強度和剛度均滿足設計要求，該鋁合金儲水箱的設計是安全的，設計方案是可行的。

4 產品優勢與市場分析

4.1 相比于傳統儲水箱優勢

傳統儲水箱多采用不銹鋼板或熱鍍鋅鋼板通過整體焊接或單元模塊螺接構成，內部通常有焊接骨架，其特點是質量好、價格低，但重量大，不易運輸和裝拆。而鋁合金儲水箱采用多單元構件螺接組成，并通過設計獲得力學性能較好的型材截面，提高了儲水箱的安全性；同時鋁合金儲水箱外部設有二層背楞保護構件，代替傳統儲水箱內部骨架，可節省儲水箱內部空間。此外，鋁合金的密度約為鋼材的1/3，可大大降低儲水箱的重量。

4.2 市場分析

在經濟環境較為疲軟的今天，儲水系統的市場表現還是不錯的。據統計，2014-2018年儲水系統的全球收入一直保持增長，平均增長速率為3.94%，2018年已達到29.83億美元，預計到2022年會達到34.82億美元。而儲水箱作為儲水系統的重要組成部分，其收入正以每年4.6%的復合年增長率增長，預計到2022年，全球市場規模將從2019年的3.38億美元增長到3.87億美元。

在下游市場，隨著住宅和商業市場的迅速增長，我國作為經濟飛速發展的人口大國，儲水箱的消耗量自然會不斷增加，國內市場前景樂觀。

5 結束語

通過確定儲水箱的外形尺寸和材料設計出一款鋁合金儲水箱，并通過結構設計以及計算分析驗證了該設計方案是可行的。按本設計方案生產出的鋁合金儲水箱箱體和箱底的強度和剛度均滿足設計要求。

（1）儲水箱箱體的最大應力和位移分別為0.11 MPa和2.54 mm，未超過相關標準。

（2）儲水箱箱底的最大應力和最大位移為165.8 MPa和4.72 mm，未超過相關標準。