竹塑复合材料多边形水窖结构应力分析

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1、第32卷第6期人民黄河Vo1．32．No．62010年6月YELLOWRIVERJun．，2010【水利水电工程】竹塑复合材料多边形水窖结构应力分析李红艳，杨文辉，朱德兰，高建恩(1．西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌712100；2．宝鸡市金台区水利站，陕西宝鸡721004；3．中国科学院、水利部水土保持研究所，陕西杨凌712100)摘要：针对水窖建设中存在施工难度大、造价高、结构尺寸缺少理论依据等问题，研究了一种新型竹塑复合材料水窖。利用有限元分析软件ANSYS对六边形和八边形水窖进行了结构应力分析。结果表明：在窖

2、壁厚度相同的条件下，八边形拼装式水窖承受应力状况优于六边形拼装式水窖，两种形式水窖的最大拉应力与压应力发生在板件衔接处与窖底。以水窖耗材量最小为目标函数，以材料允许应力为约束条件，对八边形水窖结构尺寸进行了优化设计。结果表明：局部加厚的八边形竹塑复合材料拼装式水窖耗材少，空载工况下窖壁最小厚度为7．2mm，满载工况下窖壁最小厚度为6．3mmo关键词：竹塑复合材料；拼装式水窖；有限元法；优化设计中图分类号：$277．9文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．1000—1379．2010．06．051水窖作为收集雨

3、水的一种典型设施得到越来越广泛的应水窖实体模型建立后需对其进行网格划分，以建立有限元用⋯。水窖结构形式主要有圆柱形、坛子形(圆弧形)、球形、窑模型，首先采用8节点四边形单元Plane82对窖体横截面进行式(城门洞形或隧洞形)、方形、酒瓶状等J。建窖材料主要有网格划分，然后采用三维20节点结构实体单元Solid95通过横混凝土砂浆、红胶泥、现浇混凝土、塑料水窖、橡塑水窖、混凝土截面扫略生成三维水窖实体网格化有限元模型_8j，六边形水窖预制件拼装式水窖等J。混凝土、浆砌石、红胶泥、砖砌水窖划分了4368个单元、30117个节点

4、，八边形水窖划分了5832是我国西北地区常用的集雨设施，近年来，随着人工费用大幅个单元、40243个节点。度上涨，水窖的建设成本也大幅度提高，为了降低水窖建设成该拼装水窖由窖底、窖体、窖顶组成，对窖体进行应力分析本，急需开发一种施工简单、造价低廉的新材料水窖。竹塑复时，首先需对窖体施加约束，因为分析的只是窖体，没有窖底对合材料是近几年出现的一种新型材料，主要用于建筑模板、包窖体的约束，所以分析时需对底面施加、Y、z向约束。在结构装箱等。竹塑复合材料综合了竹纤维和塑料两种材料的优势，分析中，SymmetryBC指平面外的移动

5、和平面内的旋转自由度刚性相当于钢管，柔韧性、耐腐蚀性则与塑料管相当，而使用寿为0，由于六边形、八边形水窖均为对称实体，因此分析时仅对命是钢管的2．5倍。由于竹塑复合材料拼装成的水窖具有容1／2窖体进行了结构分析，对1／2窖体对称面进行了Symmetry易运输、高强、轻质、耐温、耐腐蚀、耐磨损、价格低廉、生产效率BC面约束。AntisymmBC指平面内的移动和平面外的旋转自高以及能耗低等优点，因此竹塑复合材料是开发新型水窖的由度为0，在没有加金属扣件分析时，在板件拼接处施加Anti—理想材料。symmBC面约束。这样通过多组

6、约束，将拼装板件单元连接水窖宽度与深度比小于lO，其结构计算属于空间问题，笔为整体。者借助有限元分析软件ANSYS对竹塑复合材料拼装式水窖进行结构分析，对六边形和八边形两种拼装式水窖进行应力比2水窖不利工况与荷载分析较，通过对结构尺寸的优化设计与经济计算，设计了既安全又经济的竹塑复合材料拼装式水窖。(1)满载，即水窖仅承受水压力。水窖置于地面上，不承受土压力，装满水时窖体处于不利工况。水压力分布强度按水有限元法分析模型建立深自上而下逐渐增大，其强度分布为P=yHw(1)有限元法的基本思想：将窖体结构离散为若干个仅由节点相连

7、的单元，在进行有限元分析时，各种荷载转移至单元与节收稿日期：2009—08-03点上，利用插值函数考虑连续边界条件，建立有限元求解方程基金项目：“十一五”国家科技支撑计划项目(2006BAD09B01—3)。组，并表示为规范化的矩阵形式，求出窖体各部分所受的应力作者简介：李红艳(1983一)，女，陕西榆林人，硕士研究生，研究方向为水土保持。与产生的位移”。笔者建立两种模型进行研究，模型1为六边通讯作者：朱德兰(1969一)，女，青海乐都人，教授，主要从事水资源利用方面形拼装设计，模型2为八边形拼装设计，它们的拼装板尺寸的教

8、学及科研工作。一致E—mail：lihongyan0424@126．corn·】13·人民黄河2010年第6期式中：P为水窖内壁不同位置的水压力，kPa；’，为水的容重，的容重，KN／m；为窖体外壁不同位置土的埋深，m；K为土压kN／m；日为窖体内不同位置的水深，m。力系数，与水窖周围土的内摩擦角和黏聚