（机械设计及理论专业论文）压缩式垃圾集装箱箱体结构优化.pdf

a d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o 保密2 年 t o n g j iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t yw i t ht h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fm a s t e ro fp h i l o s o p h y t h e o p t i m i z eo fc o m p r e s s w a s t e c o n t a i n e r sb o d ys t r u c t u r e s c h o o l d e p a r t m e n t ：s c h o o lo fm e c h a n i c a l e n g l n e e r l n g 一一， d i s c i p l i n e ： m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g m a j o r ： m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y c a n d i d a t e ：y u ny a n g s u p e r v i s o r ：p r o f j i n - l i a n gs h e n g m a r c h ，2 0 0 8 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：籼云 知9 矽年中月, 9 日 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 内主l 地秽年争月锣日 摘要 摘要 本文以工程应用为目的，基于有限元结构分析技术，在有限元分析软件 a n s y s 的平台上进行了虚拟力学分析，为压缩式垃圾集装箱箱体结构的优化提供 了理论和技术的依据。 本文在对压缩式垃圾集装箱箱体的分析过程中，首先对垃圾集装箱内的填 充物一垃圾进行了物理组成、物理特性、力学特性等材料特性进行分析，并将 其与土力学相关理论相联系，得出垃圾在压缩时表现的力学特性，并探讨了在 有限元软件模型中模拟垃圾物质的方法。然后根据有限元分析的理论和方法， 使用a p d l 语言的方法对垃圾集装箱进行结构非线性的建模，并仿真垃圾集装箱 受压缩时的过程，得出箱体受压缩后的计算分析结果，为优化提供依据。最后 对箱体截面为八边形和圆弧形分别进行结构参数化，改变建模命令流中的相关 参数，并对不同参数的方案进行逐一分析，分别得出计算结果并比较分析结果， 然后根据设计箱体的要求找出较合理的参数方案，并再次对其进行有限元分析， 对结果进行了评价。最终，通过前面所做的优化过程，得出此种箱体优化的方 法和结论。 最后对本文的工作内容作了总结，并对本文中由于其它条件限制而未涉及 的部分作了展望。 关键词：压缩式垃圾集装箱，垃圾材料特性，箱体结构，有限元分析 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ha r ta i mt oe n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n ，b a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n ts t r u c t u r e a n a l y s i sm e t h o d sa n dt e c h n i q u e s ，t h et h e s i sp r o v i d e sat h e o r e t i c a la n dt e c h n i c a lb a s i s f o rt h eo p t i m i z eo fc o m p r e s sw a s t ec o n t a i n e r s b o d ys t r u c t u r e ，b yaf e wv i r t u a l m e c h a n i c a la n a l y s e sw i t ha n s y s ，af i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) s o f t w a r e i nt h et h e s i s sa n a l y s i sa p p r o a c h e so fc o n t a i n e r sb o d ys t r u c t u r e ，t h ew a s t ew h i c hi s f i l l e di nt h ec o n t a i n e ri sa n a l y z e di nm a n yw a y sf i r s t t h em a t e r i a lp r o p e r t yo fw a s t e w h i c hi n c l u d ep h y s i c a lc o m p o s e 、p h y s i c a l p r o p e r t y 、m e c h a n i c a lp r o p e r t ya n ds oo n a r el i s t e d ，a n dm a k eal i n kw i t ht h er e l e v a n tt h e o r yo fs o i lm e c h a n i c s t h e nt h et h e s i s c o n c l u d e st h ew a s t em e c h a n i c a lp r o p e r t yd u r i n gt h ec o m p r e s s i n g ，a n dd e s c r i b e st h e m o d e l i n gm e t h o do fw a s t ei nt h ef e as o f t w a r e n e x t ，b a s e do nt h ef e at h e o r ya n d m e t h o d s ，im a k eam o d e lo fw a s t ec o n t a i n e r , s i m u l a t et h ep r o c e s so fc o m p r e s s i n g ， w o r ko u tt h es o l u t i o nr e s u l to fm o d e lw h i c hc a np r o v i d es o m er e f e r e n c e sf o rt h e o p t i m i z e t h el a s ts t e p ，b yt h ep a r a m e t e r so fc o n t a i n e r ss t r u c t u r e ，ia n a l y z es e v e r a l p r o j e c t sw i t ht h ed i f f e r e n tp a r a m e t e r so n eb yo n e ，c o m p a r et h er e s u l to ft h e m ，f i n do u t t h ea p p r o p r i a t ep a r a m e t e r so fc o n t a i n e rw i t ht h er e q u i r e m e n t ia n a l y z et h ef i n a l d e s i g n ，a n dc o n c l u d et h eo p t i m i z em e t h o d so fc o n t a i n e r f i n a l l y t h e t h e s i ss u m m a r i z e st h ew o r k ，a n dp o i n t so u ts o m ep a r t so fn o t r e s e a r c h e db e c a u s eo fs o m er e a s o n so fl i m i t a t i o n s k e y w o r d s ：c o m p r e s sw a s t ec o n t a i n e r , m a t e r i a lp r o p e r t yo fw a s t e ，c o n t a i n e r s b o d ys t r u c t u r e ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s i i 目录 目录 第一章绪论1 1 1 概述垃圾中转站1 1 2 研究目的及意义3 1 3 研究对象介绍：3 1 4 研究思路及内容5 1 4 1 研究思路。5 1 4 2 主要工作内容。6 第二章模拟垃圾材料力学特性的研究。8 2 1 垃圾的组成成分分析8 2 2 垃圾的物理特性9 2 2 1 容重9 2 2 2 含水率1 0 2 2 3 垃圾颗粒尺寸及尺寸分布1 0 2 3 垃圾压缩与土压缩的联系1 1 2 3 1 土力学的压缩理论1 2 2 3 1 1 压缩模量历1 2 2 3 1 2 变形模量易1 3 2 3 1 3 弹性模量巨。1 4 2 3 2 垃圾对土力学理论的借鉴方法1 4 2 3 2 1 垃圾容重的模型建立1 4 2 3 2 2 垃圾压缩变形关系。1 6 2 4 垃圾弹塑性模型的建立1 7 2 4 1 关于弹塑性分析1 8 2 4 1 1 屈服准则1 8 2 4 1 2 流动准则2 0 2 4 。1 。3 强化准则。2 1 2 4 2 垃圾弹塑性应力应变关系2 2 2 4 3a n s y s 中垃圾材料的建立方法。2 3 i i i 2 4 4 屈服准则中参数的取得方法2 4 2 4 4 1 三轴试验的方法2 4 2 4 4 2 测绘数据的方法。2 5 2 4 4 3 数据整理的方法2 6 第三章对垃圾集装箱的有限元建模和分析2 9 3 1 关于模型的结构非线性2 9 3 1 1 状态变化( 包括接触) 3 0 3 1 2 几何非线性3 0 3 1 3 材料非线性3 0 3 2 关于a p d l 参数化语言3 1 3 3 对垃圾集装箱进行参数化3 1 3 3 1 对箱体结构简化处理3 1 3 3 2 箱壁的结构参数3 2 3 3 3 加强筋的结构参数。3 3 3 4 垃圾集装箱模型建立的过程3 4 3 4 1 定义模型的变量参数3 4 3 4 2 定义材料单元及其属性3 5 3 4 2 1 单元类型的选取3 5 3 4 2 2 实常数的定义3 6 3 4 2 3 材料属性的定义3 6 3 4 2 4 梁截面参数的定义3 7 3 4 3 创建几何模型3 8 3 4 3 1 创建模型的几何形状3 8 3 4 3 2 对创建的几何形状划分网格3 9 3 4 3 3 梁单元与箱壁壳单元的焊接3 9 3 4 3 4 接触单元的建立4 0 3 4 4 创建边界条件和载荷。4 1 3 4 4 1 选择分析类型4 1 3 4 4 2 设置分析类型选项4 1 3 4 4 3 施加边界条件和载荷4 2 3 4 4 4 设置载荷步选项4 3 3 4 5 最终生成模型并求解4 4 i v 3 5 模型求解的结果和分析4 4 第四章箱体结构的优化及分析4 7 4 1 前言4 7 4 2 选型优化设计的思路4 7 4 3 垃圾集装箱的优化4 8 4 3 1 集装箱优化的要求4 8 4 3 2 集装箱优化方案的设计4 8 4 3 2 1 箱体结构的优化方案4 8 4 3 2 2 八边形截面的优化设计及分析4 9 4 3 2 2 圆弧形截面的优化设计及分析5 3 4 3 3 箱体优化的结论5 8 第五章结论和展望6 0 5 1 结论6 0 5 2 展望6 0 致 射6 2 参考文献6 3 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果6 5 v 第一章绪论 第一章绪论 在人们的日常生活的过程中，在我们周围会产生各种各样的大量垃圾，如果 不能及时清理这些垃圾，它们就会对我们的日常生活造成很大影响，因此环卫 收集运输工作是城市建设中一项重要的工作。它要求能够应对城市中每天产生 大量的各类垃圾，对垃圾进行收集，并运输至垃圾处理场所，来保证人们能够 生活在干净舒适的环境中。随着工农业发展、城市人口增加和生活水平的提高， 垃圾的产量也是逐年增加，同时对垃圾收集运输过程的二次污染问题的要求也 在提高，因此要求垃圾收集运输系统向密闭化、减量化、大运量的方向发展。 现阶段使用压缩式垃圾集装箱，并配合具有压缩功能的垃圾中转站来完成垃圾 的运输，能够很好的满足垃圾运输的要求。 1 1 概述垃圾中转站 垃圾中转站是连接垃圾收集和垃圾运输的结合点，起到枢纽作用。垃圾经具 有压缩功能的中转站后，提高了大型垃圾运输车的车箱内垃圾密实度，减少垃 圾间的空隙，实现密闭化的大运量垃圾运输，并减少了垃圾运输过程中的二次 污染，改善了长距离运输时的经济性。因此，垃圾中转压缩是垃圾处理系统中 的一个重要环节。 具有压缩功能的垃圾中转站按照压缩类型主要分为，水平装箱式、竖直装箱 式、预压缩装箱式、打包压块式、螺旋压缩式等压缩种类。其中水平装箱式由 于其结构简单，制造和管理成本相对低廉，对环境影响较小等优点，已经在国 内得到广泛的应用。下图为垃圾中转的工作流程。 第一章绪论 图i i 垃圾中转工作流程 如图所示垃圾收集后由小型收集车( 垃圾小车) 运至中转站，在卸料平台上 将垃圾卸入装料斗内，斗内垃圾经压缩机推入与装箱机对接的集装箱内，随着 箱内垃圾量的增加，装箱机的压缩机构对箱内垃圾形成压缩，并且对垃圾脱水， 污水流入污水箱内，提高箱内垃圾的密实度，达到垃圾的减容、减量，满箱后 封闭箱门，再由运输车辆( 拉臂车) 拖走，实现封闭、满载、大运量运行。特 点是：较好地实现了封闭、压缩的工艺；设备工作可靠，配置合理，生产效率 较高；对环境的影响较小；站内管理体制成熟、有效。 下图为水平装箱的侧翻式垃圾压缩机。 图1 2 侧翻式垃圾压缩机和8 吨集装箱 2 第一章绪论 1 2 研究目的及意义 随着城市的发展以及对环卫工作要求的提高，压缩式中转站在环卫工作中 发挥着越来越重要的作用，中转站的使用也越来越普遍，可以随处看到使用集 装箱运输垃圾的车辆。虽然中转站设备已经比较成熟，但是在局部设备还存在 缺陷，例如垃圾集装箱经常会出现由于变形引起的垃圾和污水泄漏的现象。因 为在垃圾压缩过程中，由于垃圾特性的多样性及不确定性，常常在设计中按照 经验进行整体设计，因此设计出的箱体要么重量大、体积大、箱体笨重，从而 降低运输效率，要么会出现局部强度不足，变形过大的缺陷，从而引起箱体泄 漏污染环境。因此结合现代设计方法，对压缩式垃圾集装箱结构进行优化具有 很重要的意义。 本文将以计算机辅助手段对压缩式垃圾集装箱箱体的结构进行分析，并结 合实验数据以及同类其它产品对箱体结构进行结构优化，提出几种结构优化的 方案，并逐一对优化方案的箱体进行结构有限元分析，最终提出较好的优化参 数，使箱体能达到高强度、变形小、自重轻的要求。将会对垃圾运输更加高效、 安全，并使垃圾集装箱的使用寿命延长，这具有相当大的研究价值。 对于压缩式集装箱箱体来说，由于其箱体内部不但累计压缩产生的垃圾压 力，当压满时还会间接受到压缩机压缩头的压力，所以往往会使其在压缩过程 中传力不当，产生局部变形，并在长期使用后加剧变形，破坏整个箱体的密封 性，对环境造成污染。还会影响到集装箱本身的使用寿命，以及箱体与拉臂车 和压缩机之问的配合，而产生不必要的损失，影响工作安全和效率。为了分析 箱体的受力分布，验证箱体结构设计的合理性，并为箱体的结构设计提供科学 依据，利用a n s y s 软件对箱体进行有限元分析，可起到虚拟试验台的作用，符 合现代虚拟产品结构设计的潮流。 1 3 研究对象介绍 压缩式集装箱是与压缩机和拉臂式垃圾车配套使用的。拉臂式垃圾车是一 种车箱可卸式垃圾车，它同时具有垃圾自卸与自动装卸箱体的功能。在压缩式 集装箱装料时，一般箱体是被拉臂式垃圾车写下置于平地，箱体开口一端与垃 圾压缩机接合，压缩装料。当装满后，由拉臂式垃圾车将箱体自动装车，并运 输至目的地卸料。一般一辆垃圾车可以配多个集装箱，由此来提高工作效率。 因此在垃圾物流中，集装箱也可以作为一个垃圾运输的单位量，来进行垃圾收 3 第一章绪论 运系统中的收运量统计。 本文研究的对象是以上海同济远征环卫机械工程有限公司生产的8 吨垃圾 箱为原型，对其进行形状和结构上的改变和优化。下表列出了现有8 吨垃圾集 装箱的主要参数。 表1 18 吨垃圾集装箱主要参数 f 容积( m 3 )长度( m )宽度( m )高度( m )额定压缩力( 酬) 1 1 33 92 21 5 71 6 0 如下图所示，垃圾集装箱的机构主要由箱体、箱底架、牵引拉环、承重轮、 箱门、锁门机构、污水渗沥系统组成。其中箱体底架由工字梁支撑，并与箱子 前端的拉环相连，在箱子被牵引拉升时用来承担箱子的主要重量；箱体主要由 3 - 4 m m 的不锈铁板和矩形加强筋组成，由于箱体内部压缩垃圾的膨胀力的原因， 在箱体的侧面和两端都有焊接加强筋或其他结构来保证箱体的强度，箱壁用来 承担箱内垃圾的压力，加强筋保证箱壁不会产生过大的变形，因此箱体主要应 力应该集中在加强筋上；其次为了与拉臂式垃圾车相配合，箱体还设计有拉环、 承重轮，他们在焊接在底架或加强筋上，不与箱壁直接接触；锁门机构固定在 箱壁的合适部位，并用加强筋与箱壁固定：污水渗沥系统由渗水管道和污水箱 构成，固定在箱子底部，不会承受过大的压力。整个集装箱，箱体承受垃圾压 缩力和压缩机推板压力，箱体底架承受箱子整体重量，其他组件都不会承受过 大的力。因此除箱体和底架外，其他组件将在结构优化设计中作为次要因素忽 略计算。所以在结构优化设计中，将只考虑箱体的主要结构，寻找并分析更好 的外形、加强筋分布和其它提高强度的结构，以使其满足强度高、自重轻、多 次使用后变形小的要求。 4 第一章绪论 _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ - - _ _ _ _ i - - _ - _ - - _ _ - - - l _ - - - _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ i _ _ - - - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ - _ _ - _ _ _ _ i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ 一 1| 、 、 0 、。、 ；蔺要 r - 1 汽a l 一 一 一 一i 一 ，矗 ， q 矽矿 卜il 山 u j 图1 38 吨垃圾集装箱的结构图 1 4 研究思路及内容 1 4 1 研究思路 图1 48 吨垃圾集装箱的实物图 从垃圾集装箱使用情况来看，一般箱子产生的破坏主要发生在箱壁，因为 5 第一章绪论 箱壁一般做成平面，平板铁皮一旦承受压力将会产生法向的形变，因为平板薄 膜结构在法向能够承受的压力是 l l d , 的，即使是 l l d , 的压力也会产生较大的变 形，在箱壁产生鼓包，破坏箱体形状。因此本文需要主要研究箱体及底架在垃 圾压缩时的变形和应力分布。研究中只考虑箱子所受的推板压力和垃圾压缩力， 不考虑箱体受牵引提升、倾斜卸料等状态下的受力，这些力主要由底架和箱体 加强筋组成的箱体框架承受，而且力度相对较小。因此在设计中，只模拟垃圾 箱填装压缩时的工况。 本文的研究思路是：首先对垃圾集装箱内的填装物一垃圾进行物质特性分 析，分析常见垃圾中的物理组成分，然后参考相关物理特征，以及相关力学特 性，寻找在有限元软件中模拟垃圾特性的材料，并估计其参数；其次对现有垃 圾集装箱结构建模，并对其在压缩工况时进行模拟，得出箱体的变形分布图， 并对其进行分析，找出结构的不足和缺陷；再次，根据之前的分析结果，以原 有集装箱主要参数对箱体提出几种结构优化方案，每种方案结构数据参数化， 并提出几组数据以备下步建模分析；对几种方案在a n s y s9 0 软件环境下进行 a p d l 参数化建模，并对不同数据进行分析，找出结构参数与分析结果的大概联 系；最终根据之前的工作得出对不同方案进行比较，得出每种方案的优缺点， 为箱体结构确定优化方向，并提出箱体结构优化的建议。 1 4 2 主要工作内容 1 为了找出压缩时垃圾对箱体的压力，需要在软件环境下对垃圾材料进行 相似力学材料模拟。首先对垃圾进行物理组成分析，并参考相关物质的物理特 性和相关力学特性，找出在a n s y s 中对垃圾物质进行建模的方法，和相关建模 所需要参数的意义和设定方法。讨论垃圾与土力学间的联系性和相似性，并根 据土力学内相关参数的实验方法，探讨获取垃圾相关力学参数的相似实验方法。 2 对现有垃圾集装箱进行有限元建模，并进行静强度分析和填充垃圾下的 压缩分析。静强度分析包括：对垃圾集装箱进行结构简化，去除对结构影响不 大的附件，只对箱壁和周围加强筋建模，用壳单元作为主要单元建模，对模型 进行合理的网格划分，并施加相应的边界条件和载荷，然后对模型进行求解， 得出结果和后处理对结果进行形变位移分布和应力分布的显示图。填充垃圾的 压缩分析包括：在原有箱体模型的基础上，在箱内添加虚拟垃圾材料模型，划 6 第一章绪论 分网格后在垃圾模型和箱体模型间添加接触单元，施加边界条件，对垃圾受压 面加载压力，求解得出压缩模拟结果，并对结果进行显示。最后对结果进行分 析，找出结构不足和缺陷。 3 根据分析结果，在原有箱体主要参数的基础上，对箱体提出优化方案， 并对优化方案的结构数据参数化，并列出几组不同的数据以备分析。对每个方 案在a n s y s9 0 软件环境下进行a p d l 参数化建模，对已列出的数据进行静力 和压缩模拟分析，并根据结果得出参数和优化结果的联系。 4 由得出的分析结果对不同的优化方案进行比较，探讨每个方案的优缺点， 为具体的箱体结构优化提供优化方向和优化建议，确定一种根据箱体结构参数 进行结构优化的方法。 7 垃圾在压缩时的力学特性起着很重要的作用。 。 2 1 垃圾的组成成分分析 城市生活垃圾由于受到诸如自然环境、气候条件、城市规模、生活习惯、 燃气率和经济发展水平的影响，其成分比较复杂。 垃圾的产生地称为垃圾源，一般城市生活垃圾源主要分为： ( 1 ) 居民区：包括别墅区，居民楼，公寓大厦等，居民集中居住的地区： ( 2 ) 商业区：包括商店、餐馆、卖场、办公楼、旅店、书店、维修和服务 场所等； ( 3 ) 公共机构：包括学校、医院、政府、监狱等； ( 4 ) 城市建设区：包括建筑工地、修路工地等： ( 5 ) 城市服务设施：包括街道清理、景观美化、下水道清理、公园、广场 和其他公共娱乐场所： ( 6 ) 城市处理区：城市表面水、污水处理区、焚化场等。 此外还有工业区和农业区产生的垃圾，但是一般他们有各自的垃圾处理方 法，所以不列入城市生活垃圾范围内。 各个垃圾源的垃圾成份主要有： ( 1 ) 居民区：主要分为有机垃圾和无机垃圾量大类，有机垃圾包括餐余垃 圾、纸类、塑料、纺织品、皮革、橡胶、废木头、树叶等，无机垃圾包括玻璃、 陶瓦类、金属罐、废金属、尘土等，其他还包括大件垃圾、废电器、电池、油 污、有害垃圾等； ( 2 ) 商业区：主要包括纸类、塑料、食物垃圾、玻璃、金属等； ( 3 ) 公共机构：成分与商业区类似： ( 4 ) 城市建设区：主要包括木材、钢铁、混凝土、尘土等； ( 5 ) 城市服务设施：主要包括街道清扫、美化景观、下水道清理、公共场 所等产生的垃圾； 8 塑料 纺织品 橡胶 皮革 废木头、树叶 无机类 玻璃 金属瓶罐 废金属 尘土 2 - 8 2 “ 0 - 2 0 - 2 1 0 2 0 4 1 2 2 - 8 1 _ 4 0 一1 0 2 2 垃圾的物理特性 生活垃圾是由固体、液体和气体三部分组成的三相松散体。其中的固体构 成骨架，骨架之间贯穿着孔隙，孔隙中充填着液体和气体。随着地点、季节和 温度的变化，都会引起垃圾中三相比例的变化。它的重要物理特性包括，容重、 含水率、颗粒尺寸、成份和压实度等。 2 2 i 容重 单位体积的垃圾重量称为垃圾容重( k g m 3 ) 。它分为自然容重了压实容重， 垃圾在自然状态时为自然容重，经过人为压实后变为压实容重，压实容重与压 实压缩力有关。一般情况下城市生活垃圾的自然容重为1 5 0 3 5 0 k g m 3 ，较发达 的地区容重较低，不发达地区灰渣含量较多，造成容重较大。随着生活水平的 不断提高，生活垃圾的自然容重呈现不断降低的趋势，也意味着垃圾运输过程 中，垃圾压缩将会发挥越来越重要的作用。 9 撕枷 m 5 5 5 5 k 5 k m m m m m 第二章模拟垃圾材料力学特性的研究 2 2 2 含水率 含水率是指生活垃圾在1 0 5 时烘干至恒重所失去的重量占原垃圾重量的 百分比。一般情况下，生活垃圾的含水率为2 0 一5 0 之间，它的数值大小取决 于垃圾组成、季节变化、天气条件、存放地点、存放时间等因素。 表2 2 常见各类垃圾的容重和含水率 2 2 3 垃圾颗粒尺寸及尺寸分布 颗粒尺寸是指垃圾松散体不同成分的尺寸大小。它在研究垃圾的力学特性 时，判断垃圾材料的粘聚力和内摩擦角有一定的参考价值，颗粒的大小影响垃 圾的传力效果。由于垃圾组成复杂，因此它的尺寸范围分布较广。 通常对垃圾颗粒尺寸的定义有以下几种常用方法： ( 1 ) s 。i tz ； ( 2 1 ) 沪( 半) ； 眩2 ， 沪( 半) 汜3 ， 1 0 第二 其中& 为颗粒尺寸，1 为长度，w 为宽度，h 为高度。 表2 3 常见垃圾颗粒尺寸分布图 尺寸分布范囝 ( m m ) 。垃圾成份 0 1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 0 餐余垃圾 i i - - 普通纸类 纸箱、纸板 塑料 - 一 纺织品 橡胶 皮革 i 废木头、树叶 - 玻璃 i - 金属瓶罐 废金属 - i 尘土 ii 2 3 垃圾压缩与土压缩的联系 在土力学的著作中描述，土压缩的两个特点包括： ( 1 ) 土的压缩变形主要是由于孔隙的减小而引起的。土是三相体，土体受 外力作用一起的压缩包括三个部分：a 土粒固体部分的压缩；b 土体内孔隙中水 的压缩；c 水和空气从孔隙中被挤出以及封闭气体被压缩。土体的压缩主要是由 第三个因素产生的； ( 2 ) 饱和土的压缩需要一定的时间才能完成。土的压缩与孔隙中水的挤出 是同时发生，土的颗粒越粗，孔隙越大，透水性越大，挤出和压缩时间越短。 黏土的颗粒很细，故土中水的挤出和土体的压缩需要较长的时间，这个过程叫 渗流固结过程。土是一种弹塑性材料，这种变形随时间而持续的现象称为蠕变。 这两个主要特点都与垃圾相似，所以垃圾压缩可以借鉴土力学方面的知识 进行分析。 第二章模拟垃圾材料力学特性的研究 2 3 1 土力学的压缩理论 土并非弹性体，在变形过程中应力应变并非成线性关系，因此土的形变模 量随变形阶段和变形条件的不同而不同，而杨氏弹性模量为一常数。土承受恒 载作用时应考虑由该恒载所引起的全部变形，此时土的形变模量按变形条件可 分为压缩模量e ，( 有侧限形变模量) 和变形模量岛( 无侧限形变模量? 两种。 2 3 1 1 压缩模量历 压缩模量e 。由有侧限压缩试验求出。 有侧限压缩试验是，土样受压后有刚性侧壁的限制，侧向膨胀不可能，因 此土样在压缩过程中水平截面面积始终是定值，仅仅土样高度在减少。 其中f 表示压缩力，j i l 为试样高度，s 为压缩下沉量，1 表示固体颗粒的高 度，表示原始孔隙高度，p 。表示压缩后孔隙高度。 试验中， 旦! 鱼= 堕 ( 2 6 ) 1 + 1 + 巳 得，s 。鱼二生h ( 2 7 ) 1 + e 1 可以根据压缩试验中得到的一系列应力( 有效应力) 和相应的孔隙比的数 据，制成曲线，称为压缩曲线，或e p 曲线。曲线代表了土在有侧限条件下的压 缩性质。 其中土的压缩系数为， 口，兰凸娄【( m p a ) 。1 】， ( 2 8 ) p l p o叩 式中p 。表示原始应力，p 。表示压缩后应力。其中口，数值越大表示压缩性就 越大。 试验中s h ，f 表示土的应变值，s 为土样压缩下沉量， 为土样的高度， 可表示为， 占鱼二! ! ( 2 9 ) 1 - i - e o 1 2 第二章模拟垃圾材料力学特性的研究 压缩模量为， e 里必堕。堕( k p a ) ( 2 1 0 ) 4 f e o e 1g o e l口” 1 + e op 1 一p o 上式中，压缩模量没有考虑侧向压应力对竖向应变的影响，并且压缩系数a ， 是随所取应力段的不同而不同的，因此压缩模量为一变量。 土的压缩计算公式可改为， s 。a p j i l ( 2 1 1 ) 1 1s 一，ll 厶 e s 2 3 1 2 变形模量易 变形模量e 。由无侧限压缩试验得出。试验为土在受压变形过程中，允许产 生侧向膨胀条件下，竖向压应力与竖向压应变之比值。 土在无侧限限制下，承受垂直压应力时，将产生侧向膨胀。土的侧向膨胀 应变与竖向压缩应变之比叫做土的侧膨胀系数或泊松比j c l 。土的侧向膨胀系数 难以由试验方法直接测得，通常均根据它与侧压力系数的关系测得。 占，一去- o a , - u ( 盯，+ 口：) 】 广义虎克定律， 占，一主- - o o o r y - ( 吒+ 仃：) 】 占：- a , - u ( 盯y + 吼) 】 ( 2 1 2 ) 式中f 鼻、占y 、：为沿x 、y 、z 轴方向的应变，o x 、y 、吼为沿x 、y 、z 轴 方向的应力，e o 为土的变形模量。 无侧向压缩试验中，侧向应变等于零，占，一，- 0 ；侧向压应力相等，即 o r j 。仃y 。 由虎克定律可得， 则有， 咿旷等， 汜 莹。考，： l 一肛 1 3 ( 2 1 4 ) 第二章模拟垃圾材料力学特性的研究 或写成， 一击 ( 2 1 5 ) 可以根据虎克定律，以及 吒i fk o 吒，k o 一0 一) ( 2 1 6 ) 得到，变形模量与压缩模量的关系， 即( 卜粉删即( 卜熹卜 旺 变形模量毛与压缩模量e ，虽有简单的关系，但在很多情况下并不符合实 际，因此可根据工程试验所积累的资料，找出他们的经验关系。 2 3 1 3 弹性模量f 土的弹性模量e 定义为：竖向压应力与土受荷瞬间的弹性应变之比。这里 所指的弹性应变实际上是瞬时应变，他不包含随时间而发展的应变，因此它远 小于土的总应变。土的弹性模量常用于分析瞬时荷载条件下的地形变形问题， 他的数值远大于压缩模量e ，和形变模量e o 。土的弹性模量可以用多种实验方法 测定，荷载试验为其中的一种方法。 2 3 2 垃圾对土力学理论的借鉴方法 对垃圾来说，可以借鉴土力学的相关方法，建立相似的实验方法，从而得 到能够表现垃圾物理特性和力学特性的一些参数，以便在软件环境下对垃圾进 行相似模拟。 2 3 2 1 垃圾容重的模型建立 根据土壤的三轴试验，得出压实引起的容重变化和平均应力以及平均应力 与应变的乘积如下： p p o + c l n c r 。( 1 + 厂，髓。) 】 ( 2 1 8 ) 1 4 第二章模拟垃圾材料力学特性的研究 式中，一旦二孚生为平均应力，厂抛，为最大自然剪应变，c 为回归系 数，p 、p 。分别是压实容重和初始容重。 虽然城市生活垃圾和土体的压缩性很相似，但是公式对于城市生活垃圾并 不适应。从他人的试验中可以得到垃圾压实容重和平均应力、平均应变关系式 如下： 用幂函数拟合，设 p - p o + 肛4 ， ( 2 1 9 ) 其中口，卢为待定系数，z - 占。， 为确定系数，设p ，一肛4 ，两边取对数得 l o g ( p 1 ) 一口l o g ( x ) + l o g ( f 1 ) ， ( 2 2 0 ) 定义，g - l o g ( p 1 ) ，c l a ，c 2 一l o g ( f 1 ) ，x i o g ( x ) ， 上式变为： g i c t x + c 2 ( 2 2 1 ) 然后用线性函数拟合。 现行函数的直线不可能经过每一个节点，但是直线与数据o ；，y 。) 的偏差一 定要达到最小。 直线与点的偏差程度定义为： 吒- ) ，f g - y f 一( c 1 x + c 2 ) ， i 一1 2 ，3 ，l ， 残差的平方和为： 尺。善吒2 。( ) ，一_ c l x - c 2 ) 2 当关于c 。，c ：的偏导数都为零，即 专q 扣一u _ ， 汜抖， 罢q 黔_ ： “ 1 5 第二章模拟垃圾材料力学特性的研究 使尺达到最小。 上式的解为： 仨二凛二烈z 嬲竺- a 口a 暑 旺2 5 ， l c 2 一( 口l l z 2 一口2 11 ) ( 口1 l 口2 2 1 22 1 ) 其中：荟z ? ，口，：。口：。荟而4 挖。善1 - 工，z ，。善鼍y t ，z ：。善y t 。 式中：。为平均应变，l 为数据个数。 将解出的c 。，c ：，口，数据带入拟合函数中，可以得到拟合后的修正公式。 然后可用相对剩余标准差评估其精度，公式如下t 6 ， 式中，p ，p 。分别为压实容重计算值和实际容重测量平均值，刀是计算和测 量点数。通过选择不同压力条件下的值可以计算得出误差值6 ，从而验证修正后 的公式对于计算垃圾容重的可行性。 2 3 2 2 垃圾压缩变形关系 可以根据土力学中侧限压缩试验的方法，对垃圾及进行相似试验，寻找垃 圾侧限压缩模量与变形模量关系 侧限压缩试验的原理是将垃圾装入一个容器内，侧向不能变形，施加正向 压力作用在正面的加压板上，四周有空可以透水，供试样受压时渗流排水用。 实验时，在加压板上分级加载荷，并测定相应的变形量，然后通过公式计算出 垃圾的侧向压缩模量e ，。 计算公式为： e 鲤 竺h ( 2 2 6 ) 。 a ha h s 式中：p 为分级载荷差，幽为分级载荷时试样变形量，h 为无载荷时垃圾 试样长度，s 为实验容器面积。 侧限压缩的垂直应变为： 1 6 第二章模拟垃圾材料力学特性的研究 o ， 吒。葛 在三相受力情况下的应变为： 侧限条件为： 带入可得， p 詈一等( 叩吼) 旷詈嘻帆托) ：- 鲁一鲁( 吒+ q ) 1 ee 、 p xis9 | 0 p ( 1 一等) 詈 ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) 可得变形模量为， 毛。，1 一篓e ，。 ( 2 3 1 ) l - 2 4 垃圾弹塑性模型的建立 根据之前对垃圾特性的分析，可知垃圾是一种松散体材料，材料特性表现 为弹塑性行为。这种材料的强度主要取决于它的抗切或抗剪强度，他的抗拉强 度是有作用在物料之间的粘聚力和内聚力决定的，且受压屈服强度要远大于受 拉屈服强度，由于材料受剪时会膨胀，常用的v o n m i s e s 屈服准则不适合这类材 料。对于松散体材料的力学计算中，常用的屈服准则有m a h r c o u l o m b 等准则， 由于m a h r - c o u l o m b 屈服准则破坏面是一个不规则的六角形截面的角锥体表面， 导致计算时应变方向不容易确定。计算分析时采用d r u c k e r - p r a g e r 屈服准则，其 破坏面是一个m a h r - c o u l o m b 屈服面的外切圆锥面，克服了m a h r - c o u l o m b 屈服 准则的缺点，可得到较精确的计算结果。 1 7 第二章模拟垃圾材料力学特性的研究 2 4 1 关于弹塑性分析 许多常用的工程材料，在应力水平低于比例极限时，应力一应变关系为线 性的，成弹性关系。超过这一极限后，应力一应变关系变成非线性，但却不一 定是非弹性的。以不可恢复的应变为特征的塑性，则在应力超过屈服点后开始 出现。由于屈服极限与比例极限相差很小，a n s y s 程序在塑性分析中，假设这 二个点相同。 塑性是一种非保守的( 不可逆的) ，与路径相关的现象。荷载施加的顺序， 以及什么时候发生塑性响应，影响最终求解结果。如果用户预计在分析中会出 现塑性响应，则应把荷载处理成一系列的小增量荷载步或时间步，以使模型尽 可能附合荷载一响应路径。最大塑性应变是在输出文件的子步信息中打印的。 塑性理论包括以下三个主要方面： 2 4 1 1 屈服准则 对单向受拉试件，我们可以通过简单的比较轴向应力与材料的屈服应力来 决定是否有塑性变形发生，然而，对于一般的应力状态，是否到达屈服点并不 是明显的。屈服准则是一个可以用来与单轴测试的屈服应力相比较的应力状态 的标量表示。因此，知道了应力状态和屈服准则，程序就能确定是否有塑性应 变产生。 在多轴应力状态下，屈服准则可以用下式来表示： 仃。- 厂( p 】) 一o y ( 2 3 2 ) 其中仃。为等效应力，仃，为屈服应力。当等效应力超过材料的屈服应力时， 将会发生塑性变形。 1 v o nm i s e s 屈服准则 v o nm i s e s 屈服准则是一个比较通用的屈服准则，尤其适用于金属材料。对 于v o nm i s e s 屈服准则，其等效应力为： 吼- 、吉【( 仃l - 0 2 ) 2 + ( 仃2 - 0 3 ) 2 + ( l 一仃3 ) 2 】 ( 2 3 3 ) i 其中0 1 ，2 ，口3 为三个主应力。 1