聚合物基复合材料检查井盖有限元数值分析

论文摘要

井盖是通往地下设施出入口顶部的封闭物,凡是安装自来水、电信、电力、燃气、热力、消防、环卫等公用设施的地方都需要安装井盖。传统的铸铁井盖由于具有回价值的而经常被盗,从而造成车毁人亡的事件,而且金属井盖易生锈而发生漏顶的现象。所以它越来越多的被其它的材料的井盖所取代。本文研究的聚合物基复合材料检查井盖属于复合材料井盖的一种,由于材料本身属于100%的废弃物,对其它行业而言没有任何回收价值,可以从根本上解决井盖被盗的现象,还可以节约大量铸铁资源,是铸铁井盖的理想替代品。聚合物基复合材料井盖的行业标准是依据铸铁井盖的行业标准制定的,由于该种材料的强度很低,要达到铸铁井盖的承载能力,必须将井盖做得很厚,这使得井盖开启不易。因此,对井盖进行结构优化,既能减少井盖的厚度又能达到井盖结构力学性能平衡,具有十分重要的意义。本文使用ANSYS有限元分析软件建立参数化三维有限元模型,首先对井盖做出静力场分析。研究表明,井盖在静载荷作用下,其应力峰值发生了转移,表现在:最大径向和周向拉压应力由井盖的中心转移到了井盖边缘,加强筋是井盖结构拉应力的集中区,与加强筋相连的肋一端主要承受拉应力,与盖板相连的另一端主要承受压应力。其次,考虑井盖工作时温度对它影响,分别分析了井盖在遇冷收缩、遇热膨胀、稳态传热三种情况下的影响。分析表明,在较小的温度差下,温度载荷对井盖工作时的应力场影响很小,可以忽略不计,热膨胀和热传导相当于在井盖上端面施加一个小的压应力,冷收缩相当于在井盖上端面施加一个小的拉应力,计算时如果要考虑温度的影响可以使用等效应力进行计算。最后,综合考虑各种载荷对井盖的应力响应后,对井盖做出结构优化分析。分析时分别考虑了井盖盖板的厚度、加强筋对井盖的力学性能的影响。分析结果表明,减少盖板厚度对井盖应力场分布均匀性影响很小,因此盖板厚度可以减薄一些,而加强筋是井盖抗拉的主要部件,减少加强筋的高度会使井盖出现较大的应力峰值,加强筋的高度不宜过分删减。在同时改变井盖的井盖盖板厚度和加强筋的高度时,可以得出较为合理的方案。论文也探讨了井盖结构优化的其它一些方案,如改变加强筋的高度、而增加它的厚度,改变盖板的厚度增加加强筋的高度等,对井盖结构优化做出了一些有益的结论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 复合材料井盖的现状与发展
• 1.1.1 颗粒增强复合材料概述
• 1.1.2 废弃物聚合物基复合材料回收、利用对资源、环境和国
• 1.1.3 复合材料井盖的现状和发展
• 1.2 各种复合材料井盖的力学性能的比较
• 1.2.1 钢纤维混凝土井盖
• 1.2.2 再生树脂复合材料井盖
• 1.2.3 纤维增强树脂基复合材料井盖
• 1.2.4 三种复合材料井盖的综合比较
• 1.3 聚合物复合材料井盖的力学性能分析与计算
• 1.4 复合材料井盖的优化设计
• 1.5 复合材料井盖的发展趋势和愿望
• 1.6 本论文的创新点和不足之处
• 1.6.1 创新点
• 1.6.2 课题的不足之处
• 1.7 本章小结
• 第二章 井盖的等效理论计算
• 2.1 理论推导
• 2.1.1 小变形圆形薄板弯曲问题的理论推导
• 2.1.2 变厚度圆形薄板的理论推导
• 2.2 有限元分析
• 2.2.1 材料选取
• 2.2.2 边界条件和网格划分
• 2.2.3 结果分析
• 2.2.3.1 圆形薄板在不同约束条件下应力场分析
• 2.2.3.2 变厚度圆形薄板在不同约束条件下应力场分析
• 2.3 本章小结
• 第三章 聚合物基复合材料井盖的静力分析
• 3.1 有限元分析
• 3.1.1 废弃物聚合物基复合材料井盖的选取
• 3.1.2 边界条件和网格划分
• 3.1.3 加载
• 3.2 计算结果与分析
• 3.2.1 井盖结构的应力
• 3.2.2 井盖盖板的径向应力和中心点应力的确定
• 3.2.2.1 井盖盖板径向应力的确定
• 3.2.2.2 井盖盖板下表面径向结点应力值
• 3.3 聚合物基复合材料的强度实验方案及整体井盖结构的实验要求
• 3.3.1 确定危险点的试验方案
• 3.4 本章小结
• 第四章 聚合物基复合材料检查井盖的热分析
• 4.1 热分析的理论基础
• 4.1.1 传热学的经典理论回顾
• 4.1.2 热传导
• 4.1.3 稳态传热
• 4.2 有限元分析
• 4.2.1 ANSYS直接法和间接法热应力分析方法
• 4.2.2 废弃物聚合物基复合材料井盖的选取
• 4.2.3 边界条件和网格划分
• 4.2.4 加载
• 4.3 结果分析
• 4.3.1 井盖热膨胀应力分析
• 4.3.2 井盖遇冷收缩应力分析
• 4.3.2.1 井盖径向方向应力变化趋势
• 4.3.3 井盖发生热传导时的应力分析
• 4.3.3.1 井盖热传导时的温度场分布
• 4.3.3.2 热-力耦合分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 聚合物基复合材料检查井盖的结构优化
• 5.1 井盖最优化化问题的概述
• 5.1.1 约束问题的最优化模型
• 5.1.2 基于参数化的有限元分析的设计优化数学模型简介
• 5.1.3 基于参数化有限元分析过程中的基本要素
• 5.2 力学模型
• 5.2.1 废弃物聚合物基复合材料井盖的选取
• 5.2.2 加载与边界条件
• 5.2.3 计算过程和结果分析
• 5.2.3.1 D600井盖计算结果分析
• 5.2.3.2 盖板厚度对井盖的力学性能的影响
• 5.2.3.3 加强筋的高度对井盖力学性能的影响
• 5.2.3.4 同时改变井盖盖板和加强筋的高度对井盖的力学性能影响
• 5.2.3.5 井盖结构优化分析建议
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 总结
• 6.2 本文的主要研究工作和结论
• 6.3 本文进一步研究方向
• 致谢
• 参考文献
• 附录 A