一體化預(yù)制泵站的發(fā)展時(shí)間較短,但已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種工程中,解決了在城鎮(zhèn)排水中出現(xiàn)的問(wèn)題。一體化預(yù)制泵站以強(qiáng)大的流體提升和輸送能力,在城市水循環(huán)系統(tǒng)和正在興起的海綿城市工程中得到了廣泛的應(yīng)用。目前,國(guó)內(nèi)對(duì)于該設(shè)備的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)尚無(wú)相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),對(duì)于質(zhì)檢行業(yè)尚無(wú)相關(guān)檢測(cè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。基于國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展大局和上海加快推進(jìn)五個(gè)中心建設(shè),以貼近政府監(jiān)管、貼近產(chǎn)業(yè)政策和貼近國(guó)計(jì)民生為服務(wù)宗旨,以新的質(zhì)檢基地建設(shè)為契機(jī),不斷提升經(jīng)濟(jì)發(fā)展支撐能力和產(chǎn)品質(zhì)量安全保障能力為落腳點(diǎn),這一研究課題具有重大的實(shí)際意義。

筆者首先對(duì)一體化預(yù)制泵站的研究背景進(jìn)行闡述,然后在理論分析基礎(chǔ)上,通過(guò) Solidworks 軟件進(jìn)行三維建模,再基于 ANSYS軟件對(duì)該泵站筒體進(jìn)行仿真分析,最后提出一種剛度仿真分析的方法,研究結(jié)論不僅為一體化預(yù)制泵站的優(yōu)化設(shè)計(jì)及穩(wěn)定運(yùn)行提供參照,還可以為一體化預(yù)制泵站的筒體檢測(cè)提供重要的理論依據(jù)。

相關(guān)研究

近年來(lái),有許多科研人員和學(xué)者對(duì)一體化預(yù)制泵站的應(yīng)用和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探索。尤鑫"通過(guò)研究總結(jié)了體化預(yù)制泵站的優(yōu)勢(shì),改善了傳統(tǒng)污水泵站施工周期長(zhǎng)、工作環(huán)境差、重復(fù)利用性差、建設(shè)成本高等缺點(diǎn)。候宏林9結(jié)合泵站引、排、灌的一體化建設(shè),指出泵站的一體化設(shè)計(jì)施工能夠合理地減少占地、優(yōu)化泵站建設(shè)方案、縮短建設(shè)周期及節(jié)約泵站的投資成本。孟凡有中等從筒體有效容積及其內(nèi)部揚(yáng)程損失、抗浮設(shè)計(jì)及校驗(yàn)、基礎(chǔ)螺栓選用以及筒體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等方面,詳細(xì)介紹了一體化預(yù)制泵站的選型設(shè)計(jì)及施工注意事項(xiàng)。張建立"結(jié)合一體化預(yù)制泵站的機(jī)構(gòu)和運(yùn)行特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一套包含一體化泵站在內(nèi)的通道積水自動(dòng)排除系統(tǒng),從而解決了低路堤設(shè)計(jì)所帶來(lái)的下挖通道排水問(wèn)題。徐雁翔總結(jié)了在泵站設(shè)計(jì)中應(yīng)用有限元分析，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)理論公式的不足,同時(shí)結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際,給出了合適的剛性環(huán)寬高比。王默從不同水泵安裝位置、泵坑形狀、導(dǎo)水錐幾何尺寸三個(gè)方面分析了一體化泵站幾何參數(shù)對(duì)水力性能的影響。

結(jié)構(gòu)

一體化預(yù)制泵站主要由玻璃鋼筒體、污水污物排水泵組、閥門(mén)、管道、提升裝置、格柵、控制系統(tǒng)、檢修平臺(tái)、通風(fēng)系統(tǒng)等組成,格柵一般有粉碎格柵或提籃格柵。目前,一體化預(yù)制泵站剛度分析的研究存在以下問(wèn)題。一方面是泵站太大,實(shí)際試驗(yàn)難度高,局部的剛度試驗(yàn)不具有實(shí)際參考性?xún)r(jià)值,同時(shí)泵站的剛度試驗(yàn)不僅是破環(huán)性試驗(yàn),試驗(yàn)成本大。另一方面,國(guó)內(nèi)暫無(wú)與之對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)企業(yè)在實(shí)際設(shè)計(jì)生產(chǎn)中,往往因沒(méi)有統(tǒng)一設(shè)計(jì)規(guī)范,忽略了簡(jiǎn)體剛度測(cè)試的重要性。對(duì)此,筆者以上海某給排水設(shè)備公司提供的 YOP12-34-D-G一體化預(yù)制泵站為例,建立筒體直徑為1200 mm,高為3 400 mm 的一體化預(yù)制泵站模型,對(duì)其進(jìn)行理論分析、有限元分析,校核其剛度,并提出一種剛度仿真分析的方法。一體化預(yù)制泵站結(jié)構(gòu)如圖1所示。

理論分析

一體化預(yù)制泵站的應(yīng)力由筒底至筒頂逐漸減小，其應(yīng)變則逐漸增大。隨著工作水位和安裝高度的上升,簡(jiǎn)體最大應(yīng)力下降。隨著安裝高度的上升,簡(jiǎn)體最大應(yīng)變減小!。一體化預(yù)制泵站的主要原材料為玻璃鋼,因此一體化預(yù)制泵站的剛度分析主要是針對(duì)玻璃鋼筒體的剛度分析。玻璃鋼材料參數(shù)見(jiàn)表1。筆者以粉質(zhì)黏土進(jìn)行土壓力的計(jì)算。

建模

計(jì)算機(jī)輔助工程應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助求解復(fù)雜工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動(dòng)力響應(yīng)、熱傳導(dǎo)三維多體接觸、彈塑性等力學(xué)性能,進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì),是一種近似數(shù)值分析方法。計(jì)算機(jī)輔助工程軟件應(yīng)用至今已有50多年的發(fā)展史,不僅理論技術(shù)成熟,而且應(yīng)用技術(shù)廣泛,現(xiàn)已成為工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析必不可缺的數(shù)值計(jì)算工具,并且也是有限元分析力學(xué)各類(lèi)問(wèn)題的一種手段。

對(duì)一體化預(yù)制泵站進(jìn)行實(shí)測(cè)后,使用SolidWorks三維軟件對(duì)實(shí)物泵站進(jìn)行建模,三維模型如圖2所示有限元分析模型如圖3所示。對(duì)結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

應(yīng)力分析

靜應(yīng)力的分析需對(duì)物體施加約束和載荷,根據(jù)一體化預(yù)制泵站實(shí)際固定方式,對(duì)底座約束部位添加固定約束,如圖5所示。

根據(jù)一體化預(yù)制泵站的實(shí)際受力情況,規(guī)定豎直向下為重力加速度方向,即-%方向,在筒體和底座的外壁施加載荷。

將沙土看作具有流動(dòng)性,沙土對(duì)筒體外部的壓力P 與預(yù)埋深度h 有關(guān),為:

P,=p₁g₁h,

式中：ρ１ 為沙土密度，取 １ ９００ ｋｇ ／ ｍ ３ 。 沙土對(duì)筒體壁面和底座底面施加載荷，筒體荷載 后的應(yīng)力分布云圖如圖 ６ 所示。 由圖 ６ 可見(jiàn)，筒體外 壁面受力自上而下逐漸增大，筒體外壁面接近底座處 受到的應(yīng)力最大，為 ０． ０５８ ０１５ ＭＰａ。 筒體內(nèi)部有水時(shí)，筒體內(nèi)部受到的壓力Ｐ２與水的深度 ｈ２ 有關(guān)，為： Ｐ２ ＝ ρ２ ｇｈ２ （２） 式中：ρ２ 為水的密度，取 １ ０００ ｋｇ ／ ｍ ３ 。 筒體加水至啟泵液位，高度為 ３ ４００ ｍｍ，水對(duì)筒 體壁面和底面施加載荷，筒體壁面荷載后的應(yīng)力分布 云圖如圖 ７ 所示。 由圖 ７ 可見(jiàn)，筒體壁面受力自上而 下逐步增大，筒體壁面接近底座處受到的應(yīng)力最大，為 ０． ０３０ ０２３ ＭＰａ7

剛度分析

剛度指材料或結(jié)構(gòu)在受力時(shí)抵抗彈性變形的能力,是材料或結(jié)構(gòu)彈性變形難易程度的表征。材料的剛度通常用彈性模量來(lái)衡量。在宏觀彈性范圍內(nèi)，剛度是零件荷載與位移成正比的比例系數(shù),即引起單位位移所需的力。剛度的倒數(shù)稱(chēng)為柔度，即單位力引起的位移。剛度可分為靜剛度和動(dòng)剛度。通常采用材料在一定受力下的變形量大小來(lái)校核材料的剛度是否滿(mǎn)足要求。簡(jiǎn)體在不同條件下的變形云圖如圖8所示當(dāng)筒體內(nèi)部為空筒時(shí),簡(jiǎn)體最大變形量為3.8733mm。當(dāng)筒體內(nèi)部為水時(shí),簡(jiǎn)體最大變形量為5.8658mm。

筒體的最大變形量與簡(jiǎn)體尺寸相比極小,即筒體剛度滿(mǎn)足要求。

第二強(qiáng)度理論認(rèn)為材料破壞的主因是最大伸長(zhǎng)應(yīng)變,當(dāng)達(dá)到拉伸極限時(shí)材料會(huì)出現(xiàn)斷裂。簡(jiǎn)體外部為沙,內(nèi)部為水時(shí)的等效應(yīng)變?cè)茍D如圖9所示,最大等效應(yīng)變出現(xiàn)在進(jìn)口管道和底座附近區(qū)域,最大等效應(yīng)變值為0.0050089.與筒體相比變化極小，不會(huì)出現(xiàn)斷裂的危險(xiǎn)。

簡(jiǎn)體外部為沙,內(nèi)部為空筒時(shí)的等效應(yīng)變?cè)茍D如圖10所示,最大等效應(yīng)變出現(xiàn)在進(jìn)口管道和底座附件區(qū)域,其值為0.003 3151,與簡(jiǎn)體相比變化極小,不會(huì)出現(xiàn)斷裂的危險(xiǎn)。

結(jié)束語(yǔ)

筆者通過(guò)理論計(jì)算,得到一體化預(yù)制泵站玻璃鋼簡(jiǎn)體的最大主動(dòng)壓力小于玻璃鋼材料許用應(yīng)力,符合剛度要求。基于一體化預(yù)制泵站三維模型,通過(guò)有限元分析,并剛度校核,一體化預(yù)制泵站筒體的最大變形量為5.865 8 mm,最大等效應(yīng)變?yōu)?span lang="EN-US"> 0.005 008 9.與筒體尺寸相比極小,簡(jiǎn)體剛度合格。企業(yè)可以在不同的筒體厚度和材料下,通過(guò)有限元分析進(jìn)行剛度仿真,獲得最大許用應(yīng)力,通過(guò)與材料許用應(yīng)力比較,獲得一個(gè)參考值,進(jìn)而反推出筒體厚度的合適值。