基于ANSYS Workbench 的組合式高密度聚乙烯渠道強(qiáng)度仿真分析

黃嘉駿，劉向東，周市林，崔 鵬

（佳木斯大學(xué)機(jī)械工程系，黑龍江佳木斯 154007）

0 引言

農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)緊緊地聯(lián)系著國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展，是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)。2018 年《中共中央國務(wù)院關(guān)于實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的意見》指出：“實(shí)施國家農(nóng)業(yè)節(jié)水行動(dòng)，加快灌區(qū)續(xù)建配套與現(xiàn)代化改造，推進(jìn)小型農(nóng)田水利設(shè)施達(dá)標(biāo)提質(zhì)，建設(shè)一批重大高效節(jié)水灌溉工程”［1］。

農(nóng)業(yè)運(yùn)輸渠道是農(nóng)田水利工程中的一種主要的水利運(yùn)輸設(shè)備，當(dāng)前水渠系列的最好選擇是組合式渠道，由多個(gè)單一渠道構(gòu)件組合形成。渠道構(gòu)件是整體渠道里最重要的部件。以往在農(nóng)田灌排渠道的設(shè)計(jì)與安裝過程中，考慮到水利渠道的跨度較長(zhǎng)，偏遠(yuǎn)地區(qū)渠道通常完全暴露在室外，直面不同氣候?yàn)?zāi)害，因此在設(shè)計(jì)施工過程中，需要選用最合適的材料，以延長(zhǎng)水利渠道的使用壽命和提高渠道運(yùn)輸?shù)陌踩?。但?shí)際上，考慮到設(shè)計(jì)成本因素，材料選擇相對(duì)傳統(tǒng)，如普通農(nóng)田泥土組成結(jié)構(gòu)、傳統(tǒng)石砌組成渠道和普通混凝土結(jié)構(gòu)等［2］。此類材料雖然成本極低，但極易損耗，比如混凝土結(jié)構(gòu)在溫差變化較大的環(huán)境中很容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂縫，進(jìn)而出現(xiàn)大面積渠道結(jié)構(gòu)的破壞，導(dǎo)致出現(xiàn)水利渠道滲水的情況，降低水利用率［3］。

與傳統(tǒng)渠道不同，組合式高密度聚乙烯（HDPE）渠道采用單個(gè)構(gòu)件相互連接，施工簡(jiǎn)單，可現(xiàn)場(chǎng)直接機(jī)械化施工［4］。HDPE渠道常態(tài)下熔融溫度較低，在生產(chǎn)、建造、維修過程時(shí)能耗較低，生產(chǎn)成本也比較低。同時(shí)，HDPE是熱塑性材料，通常采用焊接、吸塑、擠出方法成型，曲面加工工藝簡(jiǎn)便，對(duì)環(huán)境污染小［6］。能夠滿足水利設(shè)施較高的現(xiàn)代化要求［5］。

要讓組合渠道正常工作，首先其結(jié)構(gòu)必須達(dá)到工作中最大的強(qiáng)度，渠道強(qiáng)度達(dá)標(biāo)對(duì)渠道正常工作具有重要意義。本文通過試驗(yàn)測(cè)試材料高密度聚乙烯（HDPE）的力學(xué)性能，利用仿真分析軟件ANSYS Workbench 對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，對(duì)比試驗(yàn)測(cè)試的高密度聚乙烯（HDPE）的力學(xué)性能，進(jìn)行渠道結(jié)構(gòu)各個(gè)部分的強(qiáng)度校核。

1 材料HDPE力學(xué)性能試驗(yàn)

1.1 HDPE材料簡(jiǎn)介

高密度聚乙烯（HDPE）是一種采用齊格勒-納塔催化劑在低壓或中壓及一定溫度條件下合成的聚合物。其聚合的單體為乙烯（C2H2），有時(shí)加入少量丁烯-1、己烯-1 或丙烯等α-烯烴作為共聚單體，聚合而成［7］。HDPE原始狀態(tài)為白色粉末或顆粒，分子結(jié)構(gòu)為線性，結(jié)晶度高，具有良好的耐熱、耐寒、加工性，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定［8］。

1.2 HDPE力學(xué)性能試驗(yàn)

1.2.1 拉伸實(shí)驗(yàn)

（1）試驗(yàn)原理

拉伸性能是高分子聚合物材料的基本力學(xué)性能指標(biāo)［9］，也是高密度聚乙烯力學(xué)性能測(cè)試中重要的物性指標(biāo)之一［10］。使用均勻的速度拉伸試樣直到試樣斷裂或應(yīng)力值或應(yīng)力變化值達(dá)到預(yù)設(shè)值，然后測(cè)量在此過程中試樣承受的負(fù)荷大小和伸長(zhǎng)量。

應(yīng)力根據(jù)試樣的原始的橫截面積按式（1）計(jì)算：

式中：σ為拉伸應(yīng)力，MPa；F 為所測(cè)承受載荷，N；A為試樣開始面積，mm2。

進(jìn)一步計(jì)算應(yīng)力變化值，如式（2）—（3）所示。

式中：E為應(yīng)變大小，用比值或百分?jǐn)?shù)表示；L0為試樣間距離，mm；ΔL0為試樣距離標(biāo)長(zhǎng)度的增大量，mm。

拉伸彈性模量根據(jù)兩個(gè)規(guī)定的應(yīng)變值，按式（4）計(jì)算拉伸彈性模量：

式中：Et為拉伸彈性模量大小，MPa；σ1為應(yīng)力變化變值，σ1＝0.001 時(shí)測(cè)量的應(yīng)力，MPa；σ2為應(yīng)力變化值，σ2＝0.003 時(shí)測(cè)量的應(yīng)力，MPa；

泊松比根據(jù)兩個(gè)相互垂直方向的應(yīng)變值，按式（5）計(jì)算定義的泊松比：

式中：μn為泊松比；E為縱向應(yīng)變；εn-n ＝b，n ＝（寬度）或h（厚度）時(shí)的法相應(yīng)變。

（2）拉伸試驗(yàn)機(jī)

拉伸試驗(yàn)機(jī)使用金屬電子拉伸試驗(yàn)機(jī)，精度高、控制方式靈活多樣，可以自動(dòng)分析和處理試驗(yàn)結(jié)果。

（3）試驗(yàn)速度

速度變化大小也影響著HDPE 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果，參照文獻(xiàn)［11］，選擇測(cè)試速度分別為1、2、3 mm/min。

（4）試樣要求

試樣最優(yōu)選擇寬度為20～30 mm，厚度取自組合式HDPE渠道的渠底厚度，對(duì)其他渠道壁部件也進(jìn)行了拉伸性能測(cè)試，測(cè)試方法與測(cè)試渠底部分相同。

（5）驗(yàn)步驟與結(jié)果統(tǒng)計(jì)

用拉伸試驗(yàn)機(jī)的夾子夾緊試樣，設(shè)置好測(cè)試速度開始試驗(yàn)，直到試樣斷裂后才停止試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)拉伸實(shí)驗(yàn)報(bào)告的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1 所示。

1.2.2 抗壓強(qiáng)度測(cè)定

（1）試驗(yàn)材料

標(biāo)準(zhǔn)的試樣應(yīng)為HDPE材料板塊，厚度為10 cm。

（2）抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)使用電子壓力試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試結(jié)果精確、操作界面簡(jiǎn)單，使用方便。

（3）選取試樣

標(biāo)準(zhǔn)的試樣最優(yōu)選擇為方形塊狀，試樣的厚度不應(yīng)少于3 cm，3 塊相同試樣，每塊測(cè)試1 次。

（4）驗(yàn)步驟與結(jié)果統(tǒng)計(jì)

將相同試件放置于抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)的放置板面上，開始加壓，載荷加載速度控制為每秒0.2 MPa，直至試樣完全破壞，同樣步驟測(cè)試三塊相同試樣，統(tǒng)計(jì)抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)平均數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 力學(xué)性能試驗(yàn)平均數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

2 組合式渠道強(qiáng)度分析

2.1 建立幾何模型

本節(jié)利用軟件ANSYS Workbench 對(duì)組合式渠道進(jìn)行強(qiáng)度分析。第一步要建立單個(gè)渠道預(yù)制構(gòu)件的三維模型。由于直接在軟件ANSYS Workbench 中建立單個(gè)渠道預(yù)制構(gòu)件結(jié)構(gòu)操作復(fù)雜，使用Solid Works三維繪圖軟件能夠建立各種復(fù)雜的有限元模型，其界面簡(jiǎn)潔，設(shè)計(jì)過程精簡(jiǎn)，通過使用者建立幾何約束限定對(duì)象關(guān)系，三維裝配建模簡(jiǎn)單方便。先在Solid Works三維繪圖軟件建立單個(gè)渠道三維實(shí)體模型，然后導(dǎo)入到ANSYS Workbench中［12］，建成后的單個(gè)渠道預(yù)制構(gòu)件模型如圖1 所示。

圖1 單個(gè)渠道構(gòu)件三維模型圖

結(jié)構(gòu)整體坐標(biāo)為x、y、z軸，以豎直方向?yàn)閤軸，向上為正；以水平方向?yàn)閥軸，向左為正；z 軸沿著渠道縱向，其方向以從接口端指向渠中為正。

2.2 材料設(shè)置與網(wǎng)格劃分

依據(jù)廠家提供的高密度聚乙烯（HDPE）資料，在軟件ANSYS Workbench中設(shè)定彈性模量為1.2 ×103MPa、密度為0.945g/cm3、泊松比為0.39。為得到更加精確結(jié)果，在ANSYS Workbench中進(jìn)行了多次網(wǎng)格劃分，對(duì)比了網(wǎng)格尺寸為0.005、0.01、0.02和0.03 m下的有限元分析結(jié)果。最終，綜合性能最優(yōu)，確定網(wǎng)格尺寸為0.02 m。此時(shí)模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)為188 628 個(gè)，單元總數(shù)為98 274 個(gè)。完成網(wǎng)格劃分后的單個(gè)渠道構(gòu)件模型如圖2 所示。

圖2 網(wǎng)格化的三維模型圖

2.3 邊界條件及載荷約束

組合式渠道單個(gè)構(gòu)件凹槽相互連接，因此渠道在正常工作中接口端兩側(cè)是固定的狀態(tài)，主要作用載荷考慮的是單個(gè)高密度聚乙烯（HDPE）結(jié)構(gòu)自重、取滿水狀態(tài)下的總質(zhì)量，在有限元靜力分析計(jì)算中，由于風(fēng)載荷、溫度載荷對(duì)渠道本身的應(yīng)力影響太小而不進(jìn)行考慮［13］。渠道加載荷圖如圖3 所示。

2.4 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

滿水工況下，單個(gè)渠道預(yù)制構(gòu)件的Mises 等效應(yīng)力、最大應(yīng)力分布如圖4—5 所示，渠道接頭端中間截面最大應(yīng)力和渠道中間截面應(yīng)力分布如圖6—7 所示。

圖4 Mises等效應(yīng)力圖

圖5 最大應(yīng)力圖

圖6 接頭端中間截面最大應(yīng)力圖

圖7 渠道中間截面應(yīng)力圖

從圖4—7 可以看出，組合式渠道的應(yīng)力關(guān)于渠道正中心軸左右對(duì)稱［14］，在連接端中間截面渠底內(nèi)側(cè)，最大主應(yīng)力的值最大，渠道底部附件應(yīng)力值較大。分析渠道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，選取圖6 渠道右半邊部分，對(duì)單個(gè)渠道結(jié)構(gòu)受力進(jìn)一步的分析。針對(duì)圖6接頭端中間截面最大應(yīng)力圖，對(duì)最大應(yīng)力圖接頭面內(nèi)外表皮面分別定義提取路徑內(nèi)表面、外表面，如圖8 所示；對(duì)圖中所示表面分別提取6 處位置3 向應(yīng)力參數(shù)，如表2 所列出接頭端中間截面應(yīng)力值。

圖8 標(biāo)注位置應(yīng)力

表2 接頭端中間截面應(yīng)力值

3 分析結(jié)果

得到荷載分布數(shù)據(jù)，并按要求進(jìn)行歸納［15］，分析上述組合式渠道接頭端中間截面各個(gè)點(diǎn)位應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可知，選取的是渠道的右半部分，6 個(gè)不同應(yīng)力點(diǎn)位置內(nèi)外表面的x、y、z 方向應(yīng)力值的結(jié)果均很小。內(nèi)表面路徑時(shí)應(yīng)力值變化不穩(wěn)定，y 方向從渠底到渠頂位置應(yīng)力變化梯度很大，最大值出現(xiàn)在渠底附近，x、z 方向的應(yīng)力值變化不大。對(duì)組合式HDPE 渠道在自重和水壓力荷載作用下的應(yīng)力結(jié)果分析中可得，z 方向從渠底位置到渠頂位置由受壓變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)，在渠底受最大壓應(yīng)力作用，在渠頂位置受最大拉應(yīng)力作用；最壓力值位于渠道底部附件，標(biāo)記點(diǎn)渠底最大值為0.026 516 MPa，在HDPE 的抗壓強(qiáng)度測(cè)試中，HDPE 的抗壓強(qiáng)度為8 MPa，其值小于高密度聚乙烯的抗壓強(qiáng)度；其所受最大拉應(yīng)力值為0.023 973 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于高密度聚乙烯的抗拉強(qiáng)度17 MPa，故組合式HDPE 渠道的強(qiáng)度能夠滿足渠道在正常工作的強(qiáng)度需求，符合工作要求。

4 結(jié)束語

本文基于ANSYS Workbench 有限元分析軟件，結(jié)合材料HDPE力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)組合式HDPE 渠道進(jìn)行了有限元分析。評(píng)估單個(gè)渠道的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，通過分析得出渠道6 個(gè)不同位置點(diǎn)的應(yīng)力值大小。結(jié)果表明，組合式HDPE渠道所受的等效應(yīng)力值均很小，密度聚乙烯（HDPE）的抗壓強(qiáng)度大于渠道底部位置的壓力值；其所受最大拉應(yīng)力值也小于高密度聚乙烯（HDPE）的抗拉強(qiáng)度，故組合式HDPE 渠道的強(qiáng)度能夠滿足渠道在施工管理中安全性，符合工作要求，使用高密度聚乙烯（HDPE）設(shè)計(jì)的渠道，更加符合現(xiàn)代綠色發(fā)展，能在生活中進(jìn)行批量生產(chǎn)。