基于ABAUQS的污水处理厂储泥设备弹塑性分析

曹广睿 陈明

摘 要：利用ABAQUS软件对污水处理厂储泥设备进行弹塑性分析。通过分析,确定其强度、刚度、稳定性，并优化结构，提高经济效益。

关键词：ABAQUS；储泥设备；弹塑性分析

Abstract: using ABAQUS software on wastewater treatment plant equipment store mud elastoplastic analysis. Through the analysis, determine the strength, stiffness and stability, and optimize the structure and improve the economic benefits.

Key Words: ABAQUS; store mud equipment; elastic-plastic analysis

中图分类号：U664.9+2 文献标识码：A文章编号：

ABAQUS软件以其强大的有限元分析功能和CAE功能，被广泛用于机械制造、桥梁隧道、土木、水利、船舶、航天、核工业、石化、医学等领域，能求解各种复杂的模型并很好的解决实际工程问题，分析能力和可靠性等方面性能卓越，本文依托污水处理厂的储泥设备，基于ABAQUS强大的非线性功能，进行结构受力分析并进行优化设计。

1 问题描述

污水处理厂在处理过程中，储泥设备虽然不是工艺的关键环节，但是作用不可或缺，根据某处理厂储泥设备要求，单个储泥设备存放污泥约25吨，出料口离地坪高度3.5米且宽度保证通过运泥车辆，在结构的强度、刚度、稳定性的基础上还应考虑经济效益，所以一个合理的结构设计至关重要。主体要求采用方形料斗，框架结构 H型钢和槽钢组合形式，材质Q235，结构设计见图1。

图1 储泥设备结构示意图 图2 储泥设备有限元模型

2 储泥设备有限元模型

根据初始设计利用ABAQUS有限元软件建模，为提高工作效率，对储泥设备进行简化处理，去除对结构受力影响不大的部件，储泥仓及框架结构主梁按照壳单元简化，斜撑按照梁单元，主梁为HN300×175,上横梁为HN200×100,覆在料斗上的型钢为C8，斜撑（细线部分）为C14b，板厚为8mm，重量约为6236kg，简化后有限元模型见图2。

3 有限元分析

根据实际工作情况分为两个分析步，

Step-1 结构自重

Step-2 结构自重+泥浆压力+风载荷

钢材的材料属性表：

风压选择，因为设备高度约7m，故风载荷计算不考虑横风向风振，顺风向风载仅需考虑顺风向平均风，查阅资料按照天津、塘沽地区风压加载， 0.6KN/㎡ （n=100）。

4 计算结果

图3 自重作用：最大应力8.804e+06Pa，最大位移4.569e-04m。

图4 自重+加载+风载：最大应力2.353e+08Pa，最大位移1.517e-02m。

通过分析，发现在加载泥浆和风载后，储泥仓下部变形较大，加强筋发生了塑性变形，见图5中的红色部分。在塑性变形区域随机取一单元，查看其积分点在Step-1和Step-2分析步下的应力-应变曲线见图6，可以看出选择单元在约235MPa时发生屈服。再观察主梁及斜撑，应力和变形均比较小。

图5 屈服标记图图6 应力-应变曲线

通过上述分析，虽然发生塑性变形区域较少，但是对于频繁使用的结构来说，会使结构过早破坏，带来安全隐患。所以结构应做必要的优化，考虑到在受力过程中板由型钢支撑，板厚对结构的影响较小，所以应减小板厚，加大储泥仓的加强筋，主梁及斜撑的规格也应该降低，通过一系列的数据调整及分析，由于篇幅有限，选择效果较为理想的一组进行阐述。

5 修改有限元模型，分析步及载荷不变

对原有模型进行修改，本算例可以直接通过修改截面属性来调整型钢及板厚，调整后方案如图7。

图7 调整后的有限元模型

图8 自重+加载+风载：最大应力2.219e+08Pa，最大位移2.178e-02m。

在调整了部分型钢和板材规格后，受力情况的合理性明显优于原设计，应力最大值依然发生在储泥仓下部加筋结构处，约221.9MPa，总质量约4708kg，证明了调整思路正确，效果良好。

6 总结

根据初始設计，建立污水处理中储泥设备的ABAQUS有限元分析模型，通过弹塑性分析，发现整体结构受力不够理想，部分结构发生了塑性变形，主要集中在储泥仓下部加筋处，而立柱、斜撑和板的强度过盛，造成浪费。通过一系列优化设计，找出比较合理的结构方案，重新进行弹塑性分析，效果优于初始设计。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。