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塑料渠道设计优化
点击:120 日期:2018/6/7 16:52:37

        摘要:采用有限元软件对注塑级聚丙烯塑料渠道进行数值模拟和设计优化,构建一种薄壁、能适应地基变形、不易开裂的新型渠道。结果表明,U 形加肋塑料渠道结构较优,在满足强度和位移的条件下,典型农渠渠身厚度为3 mm,纵肋厚度3 mm,横肋厚度5 mm,两侧壁各加一条纵肋,每米设3 根横肋时可达厚度最小、肋条数量最少,使得塑料渠道质量最小从而价格最低、投资最省。
        农业自古以来都是我国的重要产业,而全国总用水量绝大多数为农业用水。农业用水约占全国总用水量的63%,其中灌溉用水又占农业用水的90%左右。目前,我国灌溉用水主要通过渠道输送到田间,由于渠道存在设计、质量、管理等种种问题而导致在输送途中损失大量的水。灌溉用水有效利用率平均不足50%,年损失水量约2 000 亿m3[1]。目前渠道多为浆砌石、混凝土等刚性材料建造的传统渠道,虽然其强度大,但其抵抗温度变化、地基不均匀沉降的能力较差,易产生裂缝,渠道开裂后,灌溉用水大量损失[2–12] ;传统浆砌石、混凝土渠道渠壁较厚,厚度一般为10~40 cm,占地大;平原地区管道输水需要额外加压导致运行成本增加。我国人多地少,耕地供需矛盾十分突出,世界人均耕地面积为3200 m2,我国人均耕地不到933 m2,因此减小渠道建设占用耕地意义重大。末级渠道是灌溉系统中将水输送到田间灌溉的最后一级渠道,由于末级渠道数量庞大,减少其输水损失对提高灌区水利用率起着重要作用。目前渠道多为浆砌石、混凝土等刚性材料建造的传统渠道,抵抗温度变化、地基不均匀沉降的能力较差,易产生裂缝,渠道开裂后,灌溉用水大量损失。针对以上问题,构建一种薄壁、能适应地基变形、不易开裂的新型渠道,以提高水利用效率、减少渠道占地具有重要意义。
        随着塑料材料强度、韧性、耐候性的增强及价格的降低,塑料渠道用于田间小型渠道输水灌溉的条件已经成熟[13–17]。塑料渠道的提出为解决我国水资源利用率低、传统渠道占地多等问题提供了另一种思路。
        塑料渠道属于柔性渠道,在适应温度变化、地基不均匀沉降方面较浆砌石、混凝土等刚性渠道好。由于塑料渠道允许有一定的变形,在允许范围内适当变形可调整地基不均匀沉降和温度变化产生的破坏力。因此,塑料渠道不易开裂,从而减少灌溉用水的损失。占地多是传统渠道存在的一大问题,我国人均耕地占有量少,而大量传统末级渠道的修建进一步减少耕地面积。塑料渠道渠壁薄、糙率小,相同过流条件下具有较小横断面,塑料渠道的应用能有效减少占用耕地的面积,可在一定程度上缓解耕地缺少的矛盾。塑料渠道可实现工厂化生产,塑料渠道生产过程简单、生产周期短、质量均匀易控,生产效率高;在施工效率上,预制塑料渠道质量轻,安装方便,施工快捷;在后期维护时,如运行期间若某一段塑料渠道发生破坏,塑料渠道更容易更换,后期维护方便;塑料渠道还具有传统渠道不具备的可回收利用特性,损坏后的塑料渠道可回收利用。开展塑料渠道研究具有较强的应用价值。
1 塑料渠道断面设计
1.1 典型末级渠道基本参数
        根据相关规范,农渠长度宜为400~800 m,间距100~300 m,现取农渠长度为800 m,间距200 m。水田万亩净灌水率q 取1.39 m3/s。经计算,在上述条件下,典型末级渠道设计流量Q 设为0.039 m3/s。
        田间水利用系数取0.95,渠道水利用系数取0.90,则灌溉水利用系数η = 0.95×0.9=0.855 ;糙率n 是断面设计中重要参数之一,由于塑料渠道研究较少,参照混凝土水泥沙浆抹面的糙率,保守取值0.012 ;渠底比降取1/2000。
1.2 断面尺寸计算
        末级渠道中常见有矩形、梯形、U 形等断面形式,U 形断面水力条件相对较优,具有较大的输水能力,笔者主要研究U 形断面。图1 为U 形断面示意图。

                              

        U 形断面由向外倾斜的直线段和半圆形两部分组成,其中,直线段与半圆相切,简化计算取直线段外倾角α=0°。U 形渠道的部分计算公式如下所示:

                              
        经计算得到U 形典型农渠断面,渠深400 mm,渠宽300 mm,半径150 mm。根据常用塑料制品的推荐壁厚,以聚丙烯(PP) 为例,其厚度一般为0.64~7.62 mm,现初取塑料渠道壁厚为3 mm。具体尺寸见图2。

                               
        根据初步确定的渠道形状尺寸,运用有限元软件对其进行数值模拟,对其进行内应力和位移分析。
2 渠道结构数值模拟分析
        塑料渠道由于采用的材料与传统材料有较大区别,传统渠道的结构不适合塑料渠道,利用数值模拟进行结构设计能有效降低成本,笔者采用导入SAT 文件格式的方法进行模型的建立。在CAD 中将模型建立后,输出为SAT 格式,再导入数值模拟软件中。
2.1 参数选取
        在有限元分析中,选用单元类型为SOLOD45。SOLOD45 单元可用于模拟3–D 实体单元,单元由八点组合而成,每个节点都具有X,Y,Z 三个位移方向的自由度。该单元具有塑形、潜变、大变形等特性。选取的塑料材料为PP,所取参数均以PP 为例,具体参数:弹性模量为0.896 GPa,泊松比为0.431,密度为1 040 kg/m3。
        (1) 网格划分。
        模型在CAD 中建立,采用自由网格划分法划分网格,网格大小定为0.01。
        (2) 荷载和边界条件。
        渠道所受荷载为土压力和水压力,计算时按最不利荷载组合设定,地下水位设定与地面线平齐,渠道放空,土容重γ=1.3 g/cm3。在添加荷载时,由于荷载不是均布荷载,先对模型最低点定义区域坐标系,再施加渐变荷载。由于塑料渠道受到的荷载两边对称且塑料渠道结构对称,因此假定渠道对称轴所在的面固定不动,取对称轴所在的面进行约束。荷载示意图见图3。

                              
2.2 应力计算分析
        按参数设定,通过软件对塑料渠道厚度为3 mm 时模型进行求解计算,应力云图如图4 所示。经计算塑料渠道厚度为3 mm 时,最大应力值为12.3 MPa。一般通用塑料的拉伸强度为20~50 MPa,工程塑料的拉伸强度在50 MPa 以上。以PP 为例,注塑级别的PP 拉伸强度为25~32 MPa,挤塑、吸塑级别的PP 为23~80 MPa。对比计算结果,塑料渠道厚度为3 mm 时最大应力为12.3 MPa未达到PP 的拉伸强度,塑料渠道厚度为3 mm 时在上述荷载作用下不会发生拉伸破坏。

                               
2.3 位移计算分析
        在参数相同的情况下对塑料渠道厚度为3 mm模型进行位移计算,其位移结果如图5 所示。

                              
        由位移图可知,位移从下到上逐渐增大,模型底部位移最小,在顶部达到最大值。这是因为模型受到的力为侧压力,相当于整个模型绕着底部进行转动,离底部最远的地方即顶部位移最大。
        据相关资料,塑料渠道的最大允许位移为0.03 m。
        经计算,塑料渠道厚度为3 mm 时,最大位移达0.125 m,最大位移量超过0.03 m,不满足位移要求。
        由于塑料渠道厚度为3 mm 时位移过大,因此,在相同荷载和约束条件下,逐步增大渠道厚度,当渠道厚度增至5 mm 时,塑料渠道最大位移量为0.024 m,最大应力和位移均在允许范围内,满足要求,但塑料渠道厚度取5 mm 时,质量达5.512 kg/m,会造成材料浪费、造价增加。为充分发挥塑料的性能,采用加肋结构对塑料渠道结构进行进一步优化,以达到节省材料、降低造价的目的。
3 塑料渠道结构优化
3.1 优化目标
        约束条件:


式中:d—— 塑料渠道厚度;
     d1——横向肋条厚度;
     n1——一米长度内横向肋条数;
     d2——纵向肋条厚度;
     n2——纵向肋条数。
        综上所述,在满足强度和位移的条件下,塑料渠道造价最低,而塑料渠道的造价与其质量直接相关,因此,笔者以塑料渠道质量为目标,在应力不超过注塑级PP 的拉伸强度、允许最大位移不超过0.03 m 的条件下,塑料渠道厚度最小、肋条数量最少,使塑料渠道质量最小从而价格最低、投资最省。
3.2 塑料渠道结构优化
        对于塑料渠道,渠道壁厚过大不仅会因用料过多而增加成本,在制造工艺上也带来一定的困难,易发生气泡、缩孔、凹陷等现象;若壁厚过小则会成型困难、强度差,达不到实际使用要求。壁厚关系着渠道强度、刚度问题,且直接影响渠道造价。经计算分析发现,塑料渠道厚度设计为3 mm 时满足应力要求,不满足位移条件。为减小位移,对塑料渠道厚度为3 mm 时采用加肋结构进行优化,设置纵横肋。每米设三根横肋,两侧壁各加一条纵肋,肋条厚度与渠壁厚度相同。塑料渠道横肋设置在两端和中间,纵肋设置在U 形断面直线段中间位置。从上节的计算结果可知,塑料渠道厚度为3 mm,不加肋,应力已满足要求,因此,加肋后不再进行应力计算,仅对其进行位移计算。计算结果见图6。
        当设置纵横肋后,塑料渠道位移趋势和未加肋基本一致,均为下小上大,最大位移发生在顶部。
设置纵横肋后,塑料渠道最大位移由未加肋时的0.125 m 下降到0.049 m,降幅明显,减小位移量一半以上,加肋后位移量较为接近最大允许位移.

                              
3.3 塑料渠道肋条数量及厚度优化
        (1) 肋条数量对塑料渠道位移的影响。
        由于塑料渠道厚度为3 mm 时位移接近最大允许位移,现将每米的横肋数量增加到4 根,横肋数量对位移影响见图7。
        由图7 可知,塑料渠道每米的横肋数量由3 根增加到4 根对位移影响不大,位移从0.049 m 降到0.044 m。

                              
        (2)肋条厚度对塑料渠道位移的影响。
        增加肋条厚度,将横肋厚度改为5 mm,分析肋条厚度对塑料渠道位移的影响。计算结果如图8 所示。

                               
        当横肋厚度增加至5 mm 时,塑料渠道的位移量为0.027 m,较横肋厚度为3 mm 时降低43.6%。改变塑料渠道横肋厚度比改变横肋数量对位移影响更为显著。
        综上结果,塑料渠道渠身和纵肋厚度为3 mm,横肋厚度5 mm,两侧壁各加一条纵肋,每米设3 根横肋较为合理,质量为3.744 kg/m,最接近优化目标。优化后的塑料渠道如图9 所示。

                               
4 结论
        (1) 当塑料渠道厚度为5 mm 且未加肋时满足应力和位移条件,此时位移为0.024 m、质量为5.512 kg/m ;经过优化后料渠道厚度为3 mm,塑料渠道渠身和纵肋厚度为3 mm,横肋厚度5 mm,两侧壁各加一条纵肋,每米设3 根横肋较为合理,塑料渠道位移为0.027 m、质量为3.744 kg/m。质量较优化前每米减少1.768 kg,降低30.1%。
        (2) 塑料渠道在厚度上相对于浆砌石、混凝土等传统渠道具有较大优势。传统浆砌石、混凝土渠道渠壁较厚,厚度一般为100~400 mm,渠壁占地面积大,所占面积几乎与渠道过水断面相同,部分小断面渠道渠壁占地可达三分之二,而塑料渠道厚度仅为3 mm,渠壁占地小,减少渠道占地效果明显。

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