韓鵬彪, 孫 超，馬 磊

(河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

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加強(qiáng)肋結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)塑料井蓋力學(xué)性能的影響

韓鵬彪, 孫 超，馬 磊

(河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

為研究加強(qiáng)肋結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)塑料井蓋力學(xué)性能的影響，根據(jù)彈性力學(xué)理論，采用有限元方法對(duì)帶肋塑料井蓋受力情況進(jìn)行了模擬分析，通過使用Abaqus軟件對(duì)擁有不同加強(qiáng)肋結(jié)構(gòu)參數(shù)的塑料井蓋進(jìn)行受力模擬，分析加強(qiáng)肋結(jié)構(gòu)參數(shù)與塑料井蓋力學(xué)性能的關(guān)系。模擬結(jié)果表明：提高肋高(h)或肋寬(b)都可以提高塑料井蓋的剛度，改善其受力性能；在h<80 mm時(shí)，提高肋高(h)對(duì)增強(qiáng)塑料井蓋剛度，改善其受力性能作用顯著，而提高肋寬(b)的作用不明顯，隨著h的增大，提高肋高(h)所起到的作用減弱，相對(duì)的提高肋寬(b)所起到的作用增強(qiáng)，當(dāng)h>160 mm時(shí)，提高肋高(h)所起到的作用極小，而提高肋寬(b)所起到的作用要高于提高肋高(h)所起到的作用；加強(qiáng)肋的最大應(yīng)力高于面板的最大應(yīng)力，其差值隨塑料井蓋受力性能的改善而減小。

彈性力學(xué)；加強(qiáng)肋；塑料井蓋；有限元；Abaqus；剛度

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展以及城市化建設(shè)的迅猛擴(kuò)張，地下管道逐步覆蓋了整個(gè)城市，因此，井蓋在城鎮(zhèn)建設(shè)中起著越來越大的作用[1-3]。井蓋是一種封閉物，可以封閉地下設(shè)施出入口的頂部，安裝電力、燃?xì)?、自來水等生活中必不可少的設(shè)施的地方都需要井蓋[4]。井蓋既可以美化環(huán)境，又可以保障道路通行，維護(hù)行人安全。但是，近年來，由于井蓋被盜而導(dǎo)致人員傷亡的事件日益頻繁[5-8]。以往的井蓋大部分是由鑄鐵制造的[9]，這樣的井蓋回收價(jià)值較高，容易引起不法分子的偷盜；而復(fù)合塑料井蓋與其相比，成本要低很多，可以大大降低被盜的風(fēng)險(xiǎn)，而且與鑄鐵井蓋相比，其產(chǎn)生的噪音也要小很多，市場前景十分廣闊[10-12]。復(fù)合塑料的力學(xué)性能與傳統(tǒng)井蓋制作材料相比較差，雖然近些年來，合成塑料的力學(xué)性能有較大提高[13-18]，但是性能提高有限，所以為滿足使用要求，通常需要設(shè)置加強(qiáng)肋來對(duì)塑料井蓋的整體剛度和強(qiáng)度進(jìn)行加強(qiáng)，故研究加強(qiáng)肋的尺寸參數(shù)對(duì)整個(gè)塑料井蓋剛度和強(qiáng)度性能的影響具有重要意義。

本文以Abaqus[19-20]為支撐軟件，對(duì)復(fù)合塑料井蓋進(jìn)行受力分析，通過改變塑料井蓋的加強(qiáng)肋結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析其與整個(gè)塑料井蓋力學(xué)性能的關(guān)系并建立相關(guān)曲線，為帶肋塑料井蓋結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供理論依據(jù)。

1 模型建立

1.1 塑料井蓋

本文所分析的塑料井蓋是一種B125型井蓋，該井蓋的制作材料是一種復(fù)合塑料，該材料可以通過回收廢棄物來進(jìn)行制備，制造成本很低，其彈性模量E=1.0×103MPa，泊松比μ=0.3。

圖1 塑料井蓋模型簡圖Fig.1 Simple graphics of the plastic cover model

圖1是該塑料井蓋的簡略模型示意圖，圖中井蓋表面的花紋、通風(fēng)孔等結(jié)構(gòu)都已經(jīng)進(jìn)行簡化省略。該塑料井蓋主要由面板和加強(qiáng)肋組成，整體結(jié)構(gòu)統(tǒng)一由一種復(fù)合材料制作，其中面板高度為50 mm，直徑為660 mm(井蓋外徑長度)，加強(qiáng)肋寬度為b，高度為h，加強(qiáng)肋長度根據(jù)外形確定，是以直徑為600 mm(井蓋凈尺寸)的圓約束，兩條加強(qiáng)肋之間的間距為120 mm。

1.2 塑料井蓋有限元模型

圖2是塑料井蓋安裝的示意圖，井蓋安放在井座上，由井座提供固定支撐，井蓋的實(shí)際使用直徑是井蓋凈尺寸(600 mm)。此井蓋是B125型井蓋，B125型井蓋的使用地點(diǎn)是人行道、非機(jī)動(dòng)車停車場、小車停車場及地下停車場等地，在進(jìn)行試驗(yàn)校核時(shí)，施加的力的形式是在井蓋上部以井蓋中心點(diǎn)為圓心、以356 mm為直徑的圓面上施加均勻面載荷，力的大小按國標(biāo)規(guī)定設(shè)為125 kN[21-22]。所以，用有限元軟件進(jìn)行模擬時(shí)，塑料井蓋的材料屬性設(shè)置為彈性體，彈性模量E=1.0×103MPa，泊松比μ=0.3，整體結(jié)構(gòu)采用C3D4四面體單元進(jìn)行劃分網(wǎng)格，載荷按圖2所示的方式施加，大小為125 kN，換算成面載荷為q=1.256 MPa，固定方式如圖3所示，對(duì)面板下表面直徑為600 mm的圓進(jìn)行完全固定，用以模擬圖2中井座對(duì)井蓋的固定。

圖2 井蓋安裝示意圖Fig.2 Installation diagram of the plastic cover

圖3 固定約束示意圖Fig.3 Schematic diagram of fixed restraint

2 方案設(shè)計(jì)

塑料井蓋是由面板和加強(qiáng)肋組成，面板的作用是承載重物，而加強(qiáng)肋的作用主要是用于增強(qiáng)塑料井蓋的剛度和強(qiáng)度。本文主要是為了探究加強(qiáng)肋對(duì)整個(gè)塑料井蓋受力性能的影響，故模擬時(shí)，以上文所提到的井蓋基本尺寸、材料屬性、受力方式等為依據(jù)，通過改變加強(qiáng)肋的b,h來尋找加強(qiáng)肋尺寸結(jié)構(gòu)與塑料井蓋整體結(jié)構(gòu)受力性能的關(guān)系。b和h的參數(shù)設(shè)置見表1，加強(qiáng)肋尺寸則為bx×hy，長度按上文提到的方法確定。

表1 加強(qiáng)肋參數(shù)

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 模擬結(jié)果

針對(duì)方案設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)塑料井蓋進(jìn)行受力分析，所得結(jié)果如圖4、圖5所示。觀察兩圖可以發(fā)現(xiàn)，在承受壓力的情況下，塑料井蓋發(fā)生變形，井蓋中心處變形最大。另外，從變形后的應(yīng)力圖上可以發(fā)現(xiàn)，受力變形后，井蓋上表面(承受壓力部分)主要呈現(xiàn)壓應(yīng)力狀態(tài)，而下表面與加強(qiáng)肋則主要呈現(xiàn)拉應(yīng)力狀態(tài)。模擬計(jì)算的主要結(jié)果見表2。其中s為面板最大位移，σ1為面板最大壓應(yīng)力，σ2為面板最大拉應(yīng)力，σ3為加強(qiáng)肋最大拉應(yīng)力。

圖4 變形應(yīng)力圖Fig.4 Stress diagram after deforming

圖5 變形位移圖Fig.5 Displacement diagram after deforming

編號(hào)bx/mm×hy/mms/mmσ1/MPaσ2/MPaσ3/MPa00×017．0726．7219．381?120×4012．2519．8012．0523．511?220×807．6912．015．6519．121?320×1204．968．123．1313．811?420×1603．605．522．059．641?520×2002．924．391．487．151?620×2402．573．731．185．432?130×4011．2318．448．8420．732?230×806．2610．213．9215．72?330×1203．766．191．8310．462?430×1602．654．160．857．312?530×2002．143．220．675．182?630×2401．872．550．603．873?140×4010．1416．677．7218．963?240×805．188．652．4213．263?340×1202．984．910．798．413?440×1602．093．160．495．93?540×2001．662．450．414．173?640×2401．461．920．393．04

3.2 結(jié)果分析

加強(qiáng)肋的作用是改善結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，減小結(jié)構(gòu)的變形。表2中的數(shù)據(jù)顯然驗(yàn)證了這一結(jié)果。但是加強(qiáng)肋的具體效果還需要進(jìn)一步分析，如圖6—圖9所示的曲線。

圖6是面板的最大位移與加強(qiáng)肋高度的關(guān)系圖。由圖6可以發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)有加固方式的前提下，塑料井蓋面板在受壓力的情況下會(huì)發(fā)生變形，結(jié)合圖5可知該塑料井蓋發(fā)生最大變形位移處在塑料井蓋面板的下表面圓心處。另外隨著塑料井蓋加強(qiáng)肋高度的增加，面板的最大位移逐漸減小，在h<80 mm時(shí)減小得較快，隨著h的增大，面板最大位移減小的速度越來越小，h>160 mm時(shí)曲線逐漸趨于平緩；加強(qiáng)肋的寬度對(duì)塑料井蓋變形的最大位移也有影響，隨著寬度的增加，面板最大變形位移逐漸變小，但是效果較差, 在h<80 mm時(shí),提高肋寬的效果不如提高肋高的效果；而在h>160 mm時(shí)，提高肋寬的效果反而要優(yōu)于提高肋高的效果。

圖6 面板最大位移與肋高的關(guān)系Fig.6 Relationship between the maximum displacement of panel with the height of rib

圖7 面板最大壓應(yīng)力與肋高的關(guān)系Fig.7 Relationship between the maximum compressive stress of panel with the height of rib

圖8 面板最大拉應(yīng)力與肋高的關(guān)系Fig.8 Relationship between the maximum tensile stress of panel with the height of rib

圖9 加強(qiáng)肋最大拉應(yīng)力與肋高的關(guān)系Fig.9 Relationship between the maximum stress of reinforcing rib with the height of rib

結(jié)合圖4及表2分析3個(gè)應(yīng)力圖(圖7—圖9)，發(fā)現(xiàn)：第一，塑料井蓋受到壓力變形后，面板最大壓應(yīng)力的位置在面板上表面圓心處，而面板最大拉應(yīng)力的位置則在面板下表面的圓心處，加強(qiáng)肋的最大拉應(yīng)力的位置在靠近圓心的最遠(yuǎn)端，即變形位移最大的部分；第二，塑料井蓋受力變形后，最大應(yīng)力為拉應(yīng)力，位于加強(qiáng)肋上，即塑料井蓋受力后最易發(fā)生破壞的部位為加強(qiáng)肋；第三，隨著肋高的增加，σ1，σ2和σ3的值逐漸減小，但是減小的趨勢越來越小，3條關(guān)系曲線趨勢相似，都是隨著h的提高，應(yīng)力σ1，σ2和σ3減小的速度越來越小，其中σ1和σ2在h<80 mm時(shí)下降較快，h>160 mm時(shí)下降較慢；而σ3與h的關(guān)系曲線在h<80 mm，下降速度要比σ1和σ2曲線的下降速度小，而h>160 mm時(shí)，下降速度反而比之略高。雖然3條曲線的下降速度不一樣，但是在肋高h(yuǎn)>160 mm時(shí)，繼續(xù)提高肋高，3種應(yīng)力減小幅度都變得較小，因此，應(yīng)該適當(dāng)提高肋高的值，才能有效改善塑料井蓋的受力性能，加強(qiáng)肋的肋高過高反而效果不大。另外加強(qiáng)肋的寬度對(duì)σ1，σ2和σ3的值也是有影響的，隨著加強(qiáng)肋寬度的增加，σ1，σ2和σ3的值逐漸減小，但是效果不大。

3.3 原因分析

由于所受外力的大小及加載方式是固定的，帶肋塑料井蓋在受力變形后所受最大應(yīng)力σ1，σ2和σ3與截面抵抗矩負(fù)相關(guān)，最大變形位移s與截面的慣性矩負(fù)相關(guān)；改變加強(qiáng)肋的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以改變其截面抵抗距和慣性矩，帶肋塑料井蓋的形狀不規(guī)則，截面抵抗距與慣性矩計(jì)算較為復(fù)雜，但是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可以判斷其截面抵抗距與(bh2)x正相關(guān)，截面慣性矩與(bh3)y正相關(guān)；故σ與(bh2)x負(fù)相關(guān)，s與(bh3)y負(fù)相關(guān)。

因此，在b和h相差不大時(shí)，提高肋高h(yuǎn)對(duì)改善塑料井蓋力學(xué)性能作用較大，隨著h與b差值的提高，提高b和h對(duì)于改善塑料井蓋力學(xué)性能的作用相差越來越小，在h遠(yuǎn)大于b時(shí)，提高肋寬對(duì)改善塑料井蓋的力學(xué)性能作用較大；故本文中出現(xiàn)了在h<80 mm時(shí)，提高肋高對(duì)改善塑料井蓋力學(xué)性能較好，在h>160 mm時(shí)，提高肋寬對(duì)改善塑料井蓋力學(xué)性能較好的現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

加強(qiáng)肋可以明顯改善塑料井蓋的應(yīng)力狀態(tài)，并且提高其剛度。針對(duì)B125型塑料井蓋，并結(jié)合模擬結(jié)果所得的關(guān)系曲線進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

1)在其他條件不變的前提下，提高肋高(h)或肋寬(b)都可以提高塑料井蓋的剛度，改善其受力性能；

2) 在h<80mm時(shí)，提高肋高(h)對(duì)增強(qiáng)塑料井蓋剛度，改善其受力性能作用顯著，而提高肋寬(b)的作用不明顯，隨著h的增大，提高肋高(h)所起到的作用減弱，相對(duì)的，提高肋寬(b)所起到的作用增強(qiáng)，當(dāng)h>160mm時(shí)，提高肋高(h)所起到的作用極小，而提高肋寬(b)所起到的作用要高于提高肋高(h)所起到的作用；

3)加強(qiáng)肋的最大應(yīng)力高于面板的最大應(yīng)力，其差值隨塑料井蓋受力性能的提高而減小。

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Influence of structure parameters of reinforcing rib to mechanical properties of plastic well cover

HAN Pengbiao, SUN Chao, MA Lei

(School of Materials Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China)

In order to study the influence of structure parameters of the reinforcing rib to the mechanical properties of plastic well covers, according to the theory of elasticity, the stress situation of the plastic well cover with reinforcing rib is analyzed with finite element method. The load simulation of the plastic well cover with different reinforcing rib structure parameters is conducted with Abaqus software, and the relationship between the structure parameters of the reinforcing rib and the mechanical properties of the plastic well cover are analyzed. The simulation result shows the stiffness and mechanical properties of the plastic well cover are improved by increasing the height (h) or width (b) of the rib; if h is smaller than 80 mm, the effect of increasinghis extraordinary for improving the stiffness and mechanical properties of the plastic well cover, while the effect of increasingbis not obvious; ashincreases, the effect of increasinghis declining, but the effect of increasingbis strengthening relatively; ifhis bigger than 160 mm, the effect of increasinghis very small, while the effect of increasingbis higher than the effect of increasingh; the maximum stress of the reinforcing rib is higher than that of the panel, and their deference reduces as the mechanical properties of the plastic cover is improved.

elasticity; reinforcing rib; plastic well cover; finite element; Abaqus; stiffness

1008-1542(2016)03-0288-06

10.7535/hbkd.2016yx03012

2015-09-19；

2015-12-30；責(zé)任編輯：王海云

韓鵬彪(1968—)，男,河北石家莊人，教授,主要從事金屬塑性加工方面的研究。

E-mail:hpb68@163.com

TU

A

韓鵬彪, 孫 超，馬 磊.加強(qiáng)肋結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)塑料井蓋力學(xué)性能的影響[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào),2016,37(3):288-293.

HANPengbiao,SUNChao,MALei.Influenceofstructureparametersofreinforcingribtomechanicalpropertiesofplasticwellcover[J].JournalofHebeiUniversityofScienceandTechnology,2016,37(3):288-293.