铝合金民用储水箱结构设计与计算分析

李柏林，沈其明，孙国立，邵倩男，黄晶晶，王 儒

（辽宁忠旺集团有限公司，辽阳111003）

0 前言

随着国内经济的快速发展，人们的生活水平不断提高，而水作为人们离不开的一种资源，人们对水的需求量也随着生活水平的提高而不断增加。在给水工程设计中，经常采用储水箱作为给水系统的高峰调节储水设备，其特点是能使体系运行经济、可靠、操作简单、管理方便[1]。目前，国内使用的民用水箱大部分都是用水泥混凝土砌成或是用钢板焊接或是单元钢板螺接拼接而成的。这类水箱重量重、强度低、安装不便、缺乏耐久性且易产生污染，严重的甚至会危害人类的健康[2]。

铝合金是一种有着百年发展历史的轻质结构材料，现阶段已发展成全球用量第二大的金属材料，仅次于钢铁。特别是在20世纪中期开始，铝合金开始大量由军工转向民用，成为国民基础经济建设中不可或缺的一类重要金属材料[3]。由于铝合金具有质量轻、强度高、耐腐蚀、可塑性强等优点，铝合金制品已在生活中随处可见，并在航天航空、交通运输、建筑、机电等领域应用非常广泛[4]。本文结合铝合金自身优势，设计出一款由多单元通过螺接固定构成的储水箱，可应用于宾馆、机关、公寓、医疗等领域，并通过计算与分析进一步验证铝合金储水箱的可行性，以便后续的推广使用。

1 外形尺寸与材料的确定

1.1 外形尺寸的确定

此次设计的铝合金储水箱全容积为84 m3，有效容积为72 m3，水箱外形尺寸为6 000 mm×4 000 mm×3 500 mm（L×B×H），水位高度h=3 000 mm，如图1所示。

图1 储水箱外形示意图

1.2 材料的选择

市场上储水箱多采用不锈钢板、热镀锌钢板制成，无论采用何种材质均应在使用中不得对水质有污染，并应经卫生安全防疫的专门机构检测合格。本文选用6063挤压铝合金作为储水箱各构件的结构材料，这是一种可热处理强化铝合金，其比强度较高、成型性和耐蚀性好[5]；选用5052轧制铝合金作为储水箱底板的结构材料，它是一种不可热处理强化铝合金，具有良好的抗蚀性[6]。两种合金材料的各自性能如表1所示。

表1 6063与5052铝合金主要力学性能和参数

2 结构设计

2.1 箱体截面设计

箱体作为储水箱的重要组成部分，直接影响到储水箱整体的质量，因此箱体的截面设计十分重要。为了满足铝合金储水箱箱体的强度、刚度和外观质量的可行性，箱体截面设计为“凵”形，并且将与水接触面设计为双层弧形接触面，同时夹层内设有加强筋，呈齿形，进一步提高箱体的安全性，如图2所示。

图2 箱体截面示意图

2.2 整体结构设计

铝合金储水箱是由多单元构件通过螺接固定而成。它包括箱体构件、箱体加强构件、拐角连接构件、箱盖构件、底板和底座构件，同时还设有检修孔、内外爬梯等。此外，为了进一步提高铝合金储水箱的安全性，在储水箱外部设有二层背楞保护构件，具体如图3所示。其中箱体加强构件可以提高箱体构件的强度，底座构件是由横、纵支撑杆通过交错排布构成，呈格栅状。储水箱组装完成后，在其内部覆盖一层FRP材料，以保证储水箱的密封性。

图3 储水箱结构数模

3 结构计算分析

3.1 储水箱设计参数

铝合金储水箱长L=6 000 mm，宽B=4 000 mm，高H=3 500 mm，水位高度h=3 000 mm，箱顶厚度tr=5 mm，箱体厚度t=8 mm，箱底厚度tb=5 mm，水的密度ρ=1.0×10-6kg/mm3，箱体的极限挠度值为1/200×H[8]，长期载荷Ps=ρgh=1.0×10-6kg/mm3×10 N/kg×3 000 mm=0.03 N/mm，即Ps=0.03 MPa。

3.2 箱体部位应力及变形的分析与计算

箱体在储水箱自重及静水压力作用下，受到压缩应力、弯曲应力以及剪应力，该应力值在箱体与箱底连接处最大。经理论推导分析可知，按公式（1）计算各部应力值及挠度值，并与对应的许用值进行比较，判断其安全性[7]。计算结果如下：

由此可见，储水箱箱体的强度、刚度可以承受储水箱自重和水压。

3.3 箱底部位应力及变形的分析与计算

箱底部分支撑网格尺寸为：a=670 mm，b=670 mm，a/b=1。由表2可知，α=0.00126，β=-0.0513。

表2 等分布压力作用下周边固支长方形板的α、β值

将以上参数代入下式，并与对应的许用值进行比较，判断其安全性。计算结果如下：

由此可知储水箱箱底的强度、刚度可以承受水压。

计算结果表明：当铝合金储水箱装水72 m3，即储水箱水位高度达到3 000 mm时：（1）储水箱箱体的最大应力｜σm，max｜=0.11 MPa，小于6063-T6的屈服强度[σm]=170 MPa，最大位移δmax=2.54 mm，小于要求的17.5 mm；（2）储水箱箱底的最大应力｜σm，max｜=165.8 MPa，小于5052-H16的屈服强度[σm]=210 MPa，最大位移δmax=4.72 mm，小于要求的10.05 mm。综上所述，铝合金储水箱箱体和箱底的强度和刚度均满足设计要求，该铝合金储水箱的设计是安全的，设计方案是可行的。

4 产品优势与市场分析

4.1 相比于传统储水箱优势

传统储水箱多采用不锈钢板或热镀锌钢板通过整体焊接或单元模块螺接构成，内部通常有焊接骨架，其特点是质量好、价格低，但重量大，不易运输和装拆。而铝合金储水箱采用多单元构件螺接组成，并通过设计获得力学性能较好的型材截面，提高了储水箱的安全性；同时铝合金储水箱外部设有二层背楞保护构件，代替传统储水箱内部骨架，可节省储水箱内部空间。此外，铝合金的密度约为钢材的1/3，可大大降低储水箱的重量。

4.2 市场分析

在经济环境较为疲软的今天，储水系统的市场表现还是不错的。据统计，2014-2018年储水系统的全球收入一直保持增长，平均增长速率为3.94%，2018年已达到29.83亿美元，预计到2022年会达到34.82亿美元。而储水箱作为储水系统的重要组成部分，其收入正以每年4.6%的复合年增长率增长，预计到2022年，全球市场规模将从2019年的3.38亿美元增长到3.87亿美元。

在下游市场，随着住宅和商业市场的迅速增长，我国作为经济飞速发展的人口大国，储水箱的消耗量自然会不断增加，国内市场前景乐观。

5 结束语

通过确定储水箱的外形尺寸和材料设计出一款铝合金储水箱，并通过结构设计以及计算分析验证了该设计方案是可行的。按本设计方案生产出的铝合金储水箱箱体和箱底的强度和刚度均满足设计要求。

（1）储水箱箱体的最大应力和位移分别为0.11 MPa和2.54 mm，未超过相关标准。

（2）储水箱箱底的最大应力和最大位移为165.8 MPa和4.72 mm，未超过相关标准。