基于有限元的增强塑料埋地结构件关键技术研究

摘要

有效的地下管网体系是城市运作发展的前提，然而传统的砖砌、水泥埋地结构因其成本高、维修不便、易渗漏、寿命短等问题已不再适用时代发展的步伐。随着塑料行业的不断发展，塑料因其优异的化学稳定性、耐腐蚀性、电绝缘性等，被广泛应用于各领域。新型增强塑料埋地结构件不仅解决了传统结构存在的问题，而且满足了节能减排、可持续发展的需求，因此，新型增强塑料埋地结构件必将取传统结构而代之。
　　因塑料埋地结构件为非标准件，结构设计往往依赖于经验设计，如此一来便产生了结构件局部强度不足、设计周期长、成本高等问题。随着计算机辅助设计的飞速发展，增强塑料埋地结构件的设计、优化越来越倾向于采用更快捷和低成本的有限元分析软件模拟其各使用工况、结构试验及其他极端加载情况。
　　工程中，塑料埋地结构件的关键技术在于如何通过材料的改性、结构的优化增强以达到实际使用对结构强度、刚度及稳定性等方面的要求。本文以热固性(玻纤增强SMC)、热塑性(改进型LLDPE)两种增强塑料埋地结构件为主要研究对象。
　　首先，以SMC阀门检查井为例，从材料与结构两方面对普通SMC阀门检查井进行增强改进，得到钢丝嵌入增强SMC阀门井与玻纤增强SMC阀门井;同时，对两种阀门井的材料分别进行力学性能试验;基于经典土力学理论，对井体结构在不同工况下进行线弹性有限元分析，从而确定了结构在不同埋深下的应力与变形情况，相较钢丝嵌入增强方案，玻纤增强SMC阀门井最大变形量减小了49.39％。其次，利用电测法对阀门井进行实地填埋试验，将测试结果与有限元计算结果进行对比，发现两者吻合度较高，从而验证了有限元分析的正确性，为后续分析、优化提供了依据。基于该类结构强度高、壁薄、质轻的特点，对其进行了稳定性研究，通过屈曲与后屈曲分析，获取了屈曲模态、屈曲载荷及后屈曲平衡路径，结果表明后屈曲曲线中未出现负刚度，结构屈曲后仍可继续加载，且井体后屈曲行为对初始几何缺陷并不敏感。
　　作为热塑性塑料的典型，LLDPE具有优异的塑性。通过调整结构壁厚、井口尺寸、加强筋的位置、形状、高度对LLDPE雨水污水检查井进行增强改进;并考虑材料非线性、几何非线性对其进行不同埋深工况下的有限元仿真分析，根据结构的强度与刚度要求确定了该检查井的使用范围不可超过6m。其次，对材料非线性塑料结构件性能进行相关试验研究，主要对结构进行负压试验及仿真分析，得出该类结构件在不同负压条件下的变形情况并验证了有限元分析的正确性，证明了非线性塑料结构件负压试验的可行性，可为结构性能试验环节节省大量的成本。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 国内外塑料埋地结构件发展现状

1．3 塑料埋地结构件形式与用途

1．3．1 塑料埋地水工装置

1．3．2 塑料埋地电工装置

1．4 塑料埋地结构件材料与成型

1．4．1 LLDPE滚塑成型

1．4．2 PC注塑成型

1．4．3 SMC模压成型

1．5 论文主要研究内容

第二章 课题研究的基础理论

2．1 有限元简介

2．2 基于有限元的多重非线性

2．2．1 非线性问题分类

2．2．2 非线性方程组解法

2．3 塑料埋地结构弯曲及屈曲计算方法

2．3．1 埋地薄壳结构在对称载荷下的平衡方程

2．3．2 屈曲平衡方程及弧长法

2．4 埋地结构土压力理论

2．4．1 库伦土压力理论

2．4．2 朗肯土压力理论

2．5 本章小结

第三章 增强塑料结构件线弹性有限元分析

3．1 增强塑料简介

3．1．1 增强形式

3．1．2 材料性能测试

3．1．3 模型的简化

3．2 钢丝嵌入增强SMC阀门井有限元分析

3．2．1 单元的选取与划分

3．2．2 约束及载荷施加

3．2．3 计算结果

3．3 玻纤增强SMC阀门井有限元分析

3．3．1 材料性能测试

3．3．2 有限元模型前处理

3．3．3 计算结果

3．4 仿真结果分析

3．5 本章小结

第四章 增强塑料结构件埋地性能测试

4．1 测试技术概述

4．1．1 测试技术简介

4．1．2 电阻应变片测试方法

4．2 玻纤增强SMC阀门井测试方案

4．2．1 测试内容

4．2．2 测试仪器设备

4．2．3 测点分布

4．3 玻纤增强SMC阀门井测试结果

4．3．1 应力计算

4．3．2 回填过程静应力测点测试结果

4．3．3 过车过程静应力测点测试结果

4．3．4 回填过程位移测点测试结果

4．3．5 测试结果与有限元分析对比

4．4 本章小结

第五章 增强塑料结构件稳定性分析

5．1 特征值屈曲

5．1．1 特征值屈曲有限元模型

5．1．2 特征值屈曲结果

5．2 后屈曲

5．2．1 后屈曲非线性有限元分析

5．2．2 初始几何缺陷对后屈曲影响

5．3 本章小结

第六章 非线性塑料结构件有限元分析

6．1 材料非线性塑料简介

6．1．1 结构形式与用途

6．1．2 LLDPE材料性能测试及数据处理

6．2 限元模型的建立

6．2．1 几何模型的建立

6．2．2 材料非线性定义及几何非线性设置

6．2．3 单元选取与划分

6．2．4 约束及载荷施加

6．3 数值模拟结果

6．4 结果分析

6．5 精度控制

6．6 本章小结

第七章 非线性塑料结构件性能试验研究

7．1 非线性塑料结构件性能试验方法

7．2 研究目的

7．3 化粪池负压测试方案

7．3．1 负压测试方法

7．3．2 LLDPE化粪池测试方案

7．4 LLDPE化粪池负压测试

7．4．1 测试内容

7．4．2 测试仪器及测点分布

7．4．3 测试结果

7．5 负压仿真分析

7．5．1 几何模型

7．5．2 有限元模型前处理

7．5．3 负压分析结果

7．5．4 测试与分析结果对比

7．6 本章小结

第八章 总结与展望

8．1 总结

8．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要的研究成果

声明