基于ANSYS Workbench 的组合式高密度聚乙烯渠道强度仿真分析

黄嘉骏，刘向东，周市林，崔 鹏

（佳木斯大学机械工程系，黑龙江佳木斯 154007）

0 引言

农业经济紧紧地联系着国家经济发展，是国民经济发展的基础。2018 年《中共中央国务院关于实施乡村振兴战略的意见》指出：“实施国家农业节水行动，加快灌区续建配套与现代化改造，推进小型农田水利设施达标提质，建设一批重大高效节水灌溉工程”［1］。

农业运输渠道是农田水利工程中的一种主要的水利运输设备，当前水渠系列的最好选择是组合式渠道，由多个单一渠道构件组合形成。渠道构件是整体渠道里最重要的部件。以往在农田灌排渠道的设计与安装过程中，考虑到水利渠道的跨度较长，偏远地区渠道通常完全暴露在室外，直面不同气候灾害，因此在设计施工过程中，需要选用最合适的材料，以延长水利渠道的使用寿命和提高渠道运输的安全性。但实际上，考虑到设计成本因素，材料选择相对传统，如普通农田泥土组成结构、传统石砌组成渠道和普通混凝土结构等［2］。此类材料虽然成本极低，但极易损耗，比如混凝土结构在温差变化较大的环境中很容易产生结构裂缝，进而出现大面积渠道结构的破坏，导致出现水利渠道渗水的情况，降低水利用率［3］。

与传统渠道不同，组合式高密度聚乙烯（HDPE）渠道采用单个构件相互连接，施工简单，可现场直接机械化施工［4］。HDPE渠道常态下熔融温度较低，在生产、建造、维修过程时能耗较低，生产成本也比较低。同时，HDPE是热塑性材料，通常采用焊接、吸塑、挤出方法成型，曲面加工工艺简便，对环境污染小［6］。能够满足水利设施较高的现代化要求［5］。

要让组合渠道正常工作，首先其结构必须达到工作中最大的强度，渠道强度达标对渠道正常工作具有重要意义。本文通过试验测试材料高密度聚乙烯（HDPE）的力学性能，利用仿真分析软件ANSYS Workbench 对其强度进行有限元分析，对比试验测试的高密度聚乙烯（HDPE）的力学性能，进行渠道结构各个部分的强度校核。

1 材料HDPE力学性能试验

1.1 HDPE材料简介

高密度聚乙烯（HDPE）是一种采用齐格勒-纳塔催化剂在低压或中压及一定温度条件下合成的聚合物。其聚合的单体为乙烯（C2H2），有时加入少量丁烯-1、己烯-1 或丙烯等α-烯烃作为共聚单体，聚合而成［7］。HDPE原始状态为白色粉末或颗粒，分子结构为线性，结晶度高，具有良好的耐热、耐寒、加工性，化学性质稳定［8］。

1.2 HDPE力学性能试验

1.2.1 拉伸实验

（1）试验原理

拉伸性能是高分子聚合物材料的基本力学性能指标［9］，也是高密度聚乙烯力学性能测试中重要的物性指标之一［10］。使用均匀的速度拉伸试样直到试样断裂或应力值或应力变化值达到预设值，然后测量在此过程中试样承受的负荷大小和伸长量。

应力根据试样的原始的横截面积按式（1）计算：

式中：σ为拉伸应力，MPa；F 为所测承受载荷，N；A为试样开始面积，mm2。

进一步计算应力变化值，如式（2）—（3）所示。

式中：E为应变大小，用比值或百分数表示；L0为试样间距离，mm；ΔL0为试样距离标长度的增大量，mm。

拉伸弹性模量根据两个规定的应变值，按式（4）计算拉伸弹性模量：

式中：Et为拉伸弹性模量大小，MPa；σ1为应力变化变值，σ1＝0.001 时测量的应力，MPa；σ2为应力变化值，σ2＝0.003 时测量的应力，MPa；

泊松比根据两个相互垂直方向的应变值，按式（5）计算定义的泊松比：

式中：μn为泊松比；E为纵向应变；εn-n ＝b，n ＝（宽度）或h（厚度）时的法相应变。

（2）拉伸试验机

拉伸试验机使用金属电子拉伸试验机，精度高、控制方式灵活多样，可以自动分析和处理试验结果。

（3）试验速度

速度变化大小也影响着HDPE 力学性能测试结果，参照文献［11］，选择测试速度分别为1、2、3 mm/min。

（4）试样要求

试样最优选择宽度为20～30 mm，厚度取自组合式HDPE渠道的渠底厚度，对其他渠道壁部件也进行了拉伸性能测试，测试方法与测试渠底部分相同。

（5）验步骤与结果统计

用拉伸试验机的夹子夹紧试样，设置好测试速度开始试验，直到试样断裂后才停止试验，统计拉伸实验报告的数据，统计结果如表1 所示。

1.2.2 抗压强度测定

（1）试验材料

标准的试样应为HDPE材料板块，厚度为10 cm。

（2）抗压强度试验机

抗压强度试验机使用电子压力试验机，测试结果精确、操作界面简单，使用方便。

（3）选取试样

标准的试样最优选择为方形块状，试样的厚度不应少于3 cm，3 块相同试样，每块测试1 次。

（4）验步骤与结果统计

将相同试件放置于抗压强度试验机的放置板面上，开始加压，载荷加载速度控制为每秒0.2 MPa，直至试样完全破坏，同样步骤测试三块相同试样，统计抗压强度实验数据，试验平均数据的统计结果见表1。

表1 力学性能试验平均数据统计表

2 组合式渠道强度分析

2.1 建立几何模型

本节利用软件ANSYS Workbench 对组合式渠道进行强度分析。第一步要建立单个渠道预制构件的三维模型。由于直接在软件ANSYS Workbench 中建立单个渠道预制构件结构操作复杂，使用Solid Works三维绘图软件能够建立各种复杂的有限元模型，其界面简洁，设计过程精简，通过使用者建立几何约束限定对象关系，三维装配建模简单方便。先在Solid Works三维绘图软件建立单个渠道三维实体模型，然后导入到ANSYS Workbench中［12］，建成后的单个渠道预制构件模型如图1 所示。

图1 单个渠道构件三维模型图

结构整体坐标为x、y、z轴，以竖直方向为x轴，向上为正；以水平方向为y轴，向左为正；z 轴沿着渠道纵向，其方向以从接口端指向渠中为正。

2.2 材料设置与网格划分

依据厂家提供的高密度聚乙烯（HDPE）资料，在软件ANSYS Workbench中设定弹性模量为1.2 ×103MPa、密度为0.945g/cm3、泊松比为0.39。为得到更加精确结果，在ANSYS Workbench中进行了多次网格划分，对比了网格尺寸为0.005、0.01、0.02和0.03 m下的有限元分析结果。最终，综合性能最优，确定网格尺寸为0.02 m。此时模型节点总数为188 628 个，单元总数为98 274 个。完成网格划分后的单个渠道构件模型如图2 所示。

图2 网格化的三维模型图

2.3 边界条件及载荷约束

组合式渠道单个构件凹槽相互连接，因此渠道在正常工作中接口端两侧是固定的状态，主要作用载荷考虑的是单个高密度聚乙烯（HDPE）结构自重、取满水状态下的总质量，在有限元静力分析计算中，由于风载荷、温度载荷对渠道本身的应力影响太小而不进行考虑［13］。渠道加载荷图如图3 所示。

2.4 应力计算结果

满水工况下，单个渠道预制构件的Mises 等效应力、最大应力分布如图4—5 所示，渠道接头端中间截面最大应力和渠道中间截面应力分布如图6—7 所示。

图4 Mises等效应力图

图5 最大应力图

图6 接头端中间截面最大应力图

图7 渠道中间截面应力图

从图4—7 可以看出，组合式渠道的应力关于渠道正中心轴左右对称［14］，在连接端中间截面渠底内侧，最大主应力的值最大，渠道底部附件应力值较大。分析渠道结构强度，选取图6 渠道右半边部分，对单个渠道结构受力进一步的分析。针对图6接头端中间截面最大应力图，对最大应力图接头面内外表皮面分别定义提取路径内表面、外表面，如图8 所示；对图中所示表面分别提取6 处位置3 向应力参数，如表2 所列出接头端中间截面应力值。

图8 标注位置应力

表2 接头端中间截面应力值

3 分析结果

得到荷载分布数据，并按要求进行归纳［15］，分析上述组合式渠道接头端中间截面各个点位应力计算结果可知，选取的是渠道的右半部分，6 个不同应力点位置内外表面的x、y、z 方向应力值的结果均很小。内表面路径时应力值变化不稳定，y 方向从渠底到渠顶位置应力变化梯度很大，最大值出现在渠底附近，x、z 方向的应力值变化不大。对组合式HDPE 渠道在自重和水压力荷载作用下的应力结果分析中可得，z 方向从渠底位置到渠顶位置由受压变为受拉状态，在渠底受最大压应力作用，在渠顶位置受最大拉应力作用；最压力值位于渠道底部附件，标记点渠底最大值为0.026 516 MPa，在HDPE 的抗压强度测试中，HDPE 的抗压强度为8 MPa，其值小于高密度聚乙烯的抗压强度；其所受最大拉应力值为0.023 973 MPa，远远小于高密度聚乙烯的抗拉强度17 MPa，故组合式HDPE 渠道的强度能够满足渠道在正常工作的强度需求，符合工作要求。

4 结束语

本文基于ANSYS Workbench 有限元分析软件，结合材料HDPE力学性能试验结果，对组合式HDPE 渠道进行了有限元分析。评估单个渠道的结构强度，通过分析得出渠道6 个不同位置点的应力值大小。结果表明，组合式HDPE渠道所受的等效应力值均很小，密度聚乙烯（HDPE）的抗压强度大于渠道底部位置的压力值；其所受最大拉应力值也小于高密度聚乙烯（HDPE）的抗拉强度，故组合式HDPE 渠道的强度能够满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）设计的渠道，更加符合现代绿色发展，能在生活中进行批量生产。