基于ANSYS的埋地垃圾箱结构分析*

2022-05-24房亮

机械工程与自动化 2022年2期

房亮

(海沃机械(中国)有限公司，江苏扬州 225006)

0 引言

近些年来，随着人们消费水平与消费量的提高，所产生的生活垃圾也急剧增多[1]，加上一些城市的规模迅速扩张，对现有的基础设施造成了压力[2]。目前，已有专利提出埋地垃圾箱的构想[3],但其对埋地垃圾箱的结构分析较少。由于埋地垃圾箱外部环境错综复杂，使用过程中常因外部压力过大,箱壁结构不可靠,产生变形并引起泄漏[4]。因此如何研发设计出安全可靠的埋地垃圾箱就变得尤为重要。本文在ANSYS Workbench中利用有限元法对埋地垃圾箱建模并进行力学分析。通过对埋地垃圾箱进行埋地静态应力测试验证有限元分析结果，以此为埋地垃圾箱的优化和改进提供理论依据。

1 埋地垃圾箱有限元分析

1.1 模型的建立以及网格划分

本文采用SolidWorks对埋地垃圾箱进行三维建模，再将其导入到ANSYS中进行模型的分析与计算。在ANSYS中通过网格划分将三维模型离散转化为由单元(Element)和节点(Node)组成的有限元模型。该垃圾箱采用实体单元划分，总结构生成单元82 146个、节点510 556个，埋地垃圾箱的有限元网格模型如图1所示。

图1 埋地垃圾箱的有限元网格模型

垃圾箱的材料为Q345a钢，具体材料属性如表1所示，根据该材料的属性，在有限元材料库中定义相同属性的材料，并赋予有限元模型。

表1 Q345a材料特性

1.2 约束与载荷

垃圾箱各结构的连接方式为焊接，设置各接触部件为绑定接触(Bonded)，垃圾箱下底面固定约束。埋地垃圾箱主要受永久载荷和外界附加载荷两大作用，永久载荷包括垃圾箱自重、侧向土压力、垃圾箱壁的下曳力、竖向土压力；外界附加载荷主要包括地面的堆积载荷[5]。

本文分别考虑无外界附加载荷和外界30 t车辆附加载荷两种情况。

(1) 工况一为无外界附加载荷，主要考虑垃圾箱自重、侧向土压力、垃圾箱壁的下曳力，并按设计埋深1.8 m加载。该实验中，垃圾箱上表面与地面齐平，故不考虑竖向土压力。垃圾箱的侧向土压力F(kN/m2)由下式计算：

F=KαγSZ.

(1)

其中：Kα为主动土压力系数，Kα=1/3；γS为回填土的重度，γS=18 kN/m3；Z为自地面至计算截面处的深度，m。

作用在垃圾箱箱壁上的下曳力TA(kN/m2)由下式计算：

TA=μ(F1+F2)/2.

(2)

其中：μ为垃圾箱与回填土之间的摩擦因数，μ=0.2；F1、F2分别为作用于垃圾箱顶部和底部的侧向土压力的标准值，F1=KαγSZ1=(18×0)/3=0 kN/m2,F2=KαγSZ2=(18×1.8)/3=10.8 kN/m2。

(2) 工况二是在工况一基础上附加30 t车辆外界载荷，其值由下式计算：

F3=qKa.

(3)

其中：q为垃圾箱所承受的载荷，q=F/A=300 000/(6·2.5)=20 000 N/m2(30 t车辆轴距为6 m，宽为2.5 m)。

将相关参数代入式(3)计算得F3=6.67 kN/m2。

故在工况一无附加载荷情况下在垃圾箱侧面施加侧向土压力(如图2所示)和下曳力(如图3所示)。工况二则在垃圾箱一侧面施加20 kN/m2的载荷(如图4所示)。

图2 侧向土压力施加图3 下曳力施加图4 附加载荷施加

1.3 有限元计算

埋地垃圾箱的有限元计算结果如图5～图8所示。由图5可知：在无外界附加载荷条件下，埋地垃圾箱的最大应力为268.16 MPa，该应力发生在垃圾箱横梁与支柱的焊接处，为集中应力，故忽略；应力较大的地方位于五根立柱的根部，最大应力为82.09 MPa，小于该材料的屈服强度345 MPa。由图6可知：埋地垃圾箱整体的最大变形为3.139 mm，位于长边侧板位置。

图5 埋地垃圾箱无附加载荷下的等效应力云图

由图7可知：在外界附加30 t车辆条件下，垃圾箱的最大应力为446.19 MPa，该应力发生在垃圾箱横梁与支柱的焊接处，为集中应力，故忽略；应力较大的地方位于五根立柱的根部，最大应力为137.26 MPa，小于该材料的屈服强度345 MPa。由图8可知：埋地垃圾箱整体的最大变形为5.47 mm，位于长边侧板中间位置。