房 亮

(海沃機械(中國)有限公司，江蘇 揚州 225006)

0 引言

近些年來，隨著人們消費水平與消費量的提高，所產(chǎn)生的生活垃圾也急劇增多[1]，加上一些城市的規(guī)模迅速擴張，對現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施造成了壓力[2]。目前，已有專利提出埋地垃圾箱的構(gòu)想[3],但其對埋地垃圾箱的結(jié)構(gòu)分析較少。由于埋地垃圾箱外部環(huán)境錯綜復(fù)雜，使用過程中常因外部壓力過大,箱壁結(jié)構(gòu)不可靠,產(chǎn)生變形并引起泄漏[4]。因此如何研發(fā)設(shè)計出安全可靠的埋地垃圾箱就變得尤為重要。本文在ANSYS Workbench中利用有限元法對埋地垃圾箱建模并進行力學(xué)分析。通過對埋地垃圾箱進行埋地靜態(tài)應(yīng)力測試驗證有限元分析結(jié)果，以此為埋地垃圾箱的優(yōu)化和改進提供理論依據(jù)。

1 埋地垃圾箱有限元分析

1.1 模型的建立以及網(wǎng)格劃分

本文采用SolidWorks對埋地垃圾箱進行三維建模，再將其導(dǎo)入到ANSYS中進行模型的分析與計算。在ANSYS中通過網(wǎng)格劃分將三維模型離散轉(zhuǎn)化為由單元(Element)和節(jié)點(Node)組成的有限元模型。該垃圾箱采用實體單元劃分，總結(jié)構(gòu)生成單元82 146個、節(jié)點510 556個，埋地垃圾箱的有限元網(wǎng)格模型如圖1所示。

圖1 埋地垃圾箱的有限元網(wǎng)格模型

垃圾箱的材料為Q345a鋼，具體材料屬性如表1所示，根據(jù)該材料的屬性，在有限元材料庫中定義相同屬性的材料，并賦予有限元模型。

表1 Q345a材料特性

1.2 約束與載荷

垃圾箱各結(jié)構(gòu)的連接方式為焊接，設(shè)置各接觸部件為綁定接觸(Bonded)，垃圾箱下底面固定約束。埋地垃圾箱主要受永久載荷和外界附加載荷兩大作用，永久載荷包括垃圾箱自重、側(cè)向土壓力、垃圾箱壁的下曳力、豎向土壓力；外界附加載荷主要包括地面的堆積載荷[5]。

本文分別考慮無外界附加載荷和外界30 t車輛附加載荷兩種情況。

(1) 工況一為無外界附加載荷，主要考慮垃圾箱自重、側(cè)向土壓力、垃圾箱壁的下曳力，并按設(shè)計埋深1.8 m加載。該實驗中，垃圾箱上表面與地面齊平，故不考慮豎向土壓力。垃圾箱的側(cè)向土壓力F(kN/m2)由下式計算：

F=KαγSZ.

(1)

其中：Kα為主動土壓力系數(shù)，Kα=1/3；γS為回填土的重度，γS=18 kN/m3；Z為自地面至計算截面處的深度，m。

作用在垃圾箱箱壁上的下曳力TA(kN/m2)由下式計算：

TA=μ(F1+F2)/2.

(2)

其中：μ為垃圾箱與回填土之間的摩擦因數(shù)，μ=0.2；F1、F2分別為作用于垃圾箱頂部和底部的側(cè)向土壓力的標(biāo)準(zhǔn)值，F(xiàn)1=KαγSZ1=(18×0)/3=0 kN/m2,F2=KαγSZ2=(18×1.8)/3=10.8 kN/m2。

(2) 工況二是在工況一基礎(chǔ)上附加30 t車輛外界載荷，其值由下式計算：

F3=qKa.

(3)

其中：q為垃圾箱所承受的載荷，q=F/A=300 000/(6·2.5)=20 000 N/m2(30 t車輛軸距為6 m，寬為2.5 m)。

將相關(guān)參數(shù)代入式(3)計算得F3=6.67 kN/m2。

故在工況一無附加載荷情況下在垃圾箱側(cè)面施加側(cè)向土壓力(如圖2所示)和下曳力(如圖3所示)。工況二則在垃圾箱一側(cè)面施加20 kN/m2的載荷(如圖4所示)。

圖2 側(cè)向土壓力施加 圖3 下曳力施加 圖4 附加載荷施加

1.3 有限元計算

埋地垃圾箱的有限元計算結(jié)果如圖5～圖8所示。由圖5可知：在無外界附加載荷條件下，埋地垃圾箱的最大應(yīng)力為268.16 MPa，該應(yīng)力發(fā)生在垃圾箱橫梁與支柱的焊接處，為集中應(yīng)力，故忽略；應(yīng)力較大的地方位于五根立柱的根部，最大應(yīng)力為82.09 MPa，小于該材料的屈服強度345 MPa。由圖6可知：埋地垃圾箱整體的最大變形為3.139 mm，位于長邊側(cè)板位置。

圖5 埋地垃圾箱無附加載荷下的等效應(yīng)力云圖

由圖7可知：在外界附加30 t車輛條件下，垃圾箱的最大應(yīng)力為446.19 MPa，該應(yīng)力發(fā)生在垃圾箱橫梁與支柱的焊接處，為集中應(yīng)力，故忽略；應(yīng)力較大的地方位于五根立柱的根部，最大應(yīng)力為137.26 MPa，小于該材料的屈服強度345 MPa。由圖8可知：埋地垃圾箱整體的最大變形為5.47 mm，位于長邊側(cè)板中間位置。

2 埋地實驗

為了便于將測試結(jié)果與有限元計算結(jié)果比較，在該垃圾箱的正面布置多個測點，貼上電阻應(yīng)變片，在不同工況下分別施加對應(yīng)的載荷，通過靜態(tài)應(yīng)變儀采集各測點的應(yīng)變。

垃圾箱兩長面貼片位置如圖9所示，其中A面貼片位置與B面貼片位置一一對應(yīng)。

圖9 垃圾箱A(B)兩面貼片位置

通過測試以及數(shù)據(jù)處理后得到埋地垃圾箱上各測點的應(yīng)變值和應(yīng)力值。取A面為參照。將測試結(jié)果與有限元分析結(jié)果進行對比，如表2、表3所示。

表2 工況一有限分析結(jié)果與測試結(jié)果對比

表3 工況二有限分析結(jié)果與測試結(jié)果對比

通過兩者誤差分析對比，繪制兩種工況下兩者的誤差分析曲線，如圖10和圖11所示。由圖10、圖11可知，該誤差都在10%以內(nèi)，誤差值較小，說明有限元分析結(jié)果可靠?？勺鳛檫M一步對其做出優(yōu)化的依據(jù)。

圖10 工況一下各點誤差分析

圖11 工況二下各點誤差分析

3 結(jié)語

本文主要利用ANSYS對埋地垃圾箱進行有限元分析，得到了不同工況下埋地垃圾箱的等效應(yīng)力和變形。并對埋地垃圾箱進行靜態(tài)應(yīng)力測試，來驗證有限元分析結(jié)果的可靠性，以此對埋地垃圾箱的力學(xué)性能及結(jié)構(gòu)靜態(tài)強度做出評定，找出其應(yīng)力與變形最大處，為埋地垃圾箱的優(yōu)化與改進提供理論依據(jù)與模型。