塑料水窖的有限元分析.doc

张东来 塑料水窖的设计分析、研究摘 要塑料水窖是一种由聚乙烯等塑胶原料制成的水窖，区别于传统的粘土水窖、水泥砂浆薄壁水窖、混凝土盖碗水窖、砖混水窖。塑料水窖在中国尚处于起步阶段。由于其具有耐候性好、抗震、安装方便、经济环保等优点，正得到推广应用。为了使水窖在不同的土壤环境及不同的工作状况下具有优良的性能，节省材料、延长其使用寿命，对塑料水窖在土壤环境中抗压能力进行了研究。在研究过程中使用solidworks建立塑料水窖的三维实体模型，使用ANSYS建立塑料水窖的有限元模型，并对其加载求解，获得分析计算结果。通过获得的塑料水窖在不同工况下的位移及应力云图，得出分析结论，为下一步的结构优化奠定基础。关键词：塑料水窖，有限元分析，ANSYSABSTRACT Plastic water cellar is made from polyethylene and other plastic materials, it is different from the traditional clay cellar, thin-walled cement mortar water cellar, concrete tureen cellar, brick cellar. Plastic water cellar in China is still at the initial stage. Because of its good weather resistance, earthquake resistance, easy installation, economy and environmental protection advantages, the application is being. To make water cellars working with excellent performance in different soil environments and under different working conditions with fewer materials, also extending its life, the plastic water cellar under pressure in the soil environment was studied. In the course of the study we use solidworks creating the three-dimensional solid model of plastic water cellar; we use the ANSYS creating the finite element model of plastic water cellar and solving after it is loaded, finally obtaining the analytical results. Through the acquisition of the contour result of displacement and stress under different conditions, we have reached some analysis conclusion, lay down the foundation for further structural optimization. Key words: plastic water cellar, finite element analysis, ANSYS目 录摘要ABSTRACT第一章 绪论11.1课题的研究背景及课题来源11.1.1塑料水窖的发展概况11.1.2课题的来源21.2课题研究的目的与意义21.3课题的主要研究内容21.4本章小结2第二章 有限元分析基础理论32.1有限元法概述32.1.1有限元法的核心思想32.1.2有限元法的实现42.1.3有限元法的优越性52.1.4有限元法的发展概况62.2 ANSYS软件简介72.2.1 ANSYS家族概述及其发展72.2.2 ANSYS的功能72.2.3 利用ANSYS进行分析的基本过程82.3 本章小结10第三章 塑料水窖的有限元分析113.1 塑料水窖实体模型的建立113.2 塑料水窖有限元模型的建立123.2.1 定义单元类型123.2.2 定义材料属性173.2.3 导入实体模型173.2.4 划分网格193.3 塑料水窖有限元模型的加载和求解203.3.1 塑料水窖的工况分析203.3.2 施加载荷203.4 计算结果后处理223.4.1 工况一223.4.2 工况二293.4.3 工况三303.5 结果分析323.6 本章小结33第四章 结论和展望344.1 工作总结和结论344.2 研究展望34参考文献35致谢36 36第一章 绪论1.1课题的研究背景及课题来源1.1.1塑料水窖的发展概况水窖，是中国特定区域产生的特定名词，指的是修建于地下的用以蓄集雨水的罐状（缸状、瓶状等）容器。水窖是一种十分普遍的蓄水工程形式，在土质地区和岩石地区都有应用。根据应用地区的地质状况，水窖的形状和防渗材料都有所不同，据此，水窖的形式可以分为：粘土水窖、水泥砂浆薄壁水窖、混凝土盖碗水窖、砌砖拱顶薄壁水泥砂浆水窖等。水窖在我国的黄土高原地区较为普遍。在我国西北黄土高原省、区的部分地区，由于自然和历史的原因，极度缺水。有的降雨量只有300400毫米左右，而蒸发量却高达15002000毫米以上。按可利用水资源统计，人均可利用水资源占有量只有110立方米，是全国可利用水资源占有量720立方米的15.3%；是世界人均可利用水资源占有量2970立方米的3.7%。那里的人、畜用水几乎全靠人工蓄集有限的雨水。人们在地下修建的蓄集雨水的容器，被称为水窖。因无足够的资金对这种水窖的内部进行混凝土硬化，会很快出现渗漏。严重缺水的恶劣状况，导致当地的农民生活艰难、生产原始、教育落后、妇女的疾病率和新生儿死亡率居高不下、妇女们承担着数倍于正常环境下妇女肩负的生活重任。在国外塑料水窖可能使用较少，这方面的资料很难搜索到。但是早在几年前，荷兰就有一家名为瓦云的塑料公司，研发出一种新型的塑料检查井，用于市政道路和排污管线上需要检查和清洁的地方。这样的产品解决了传统检查井质量重、安装成本高、施工作业面大、维护成本高的缺点，而且还解决了检查井易渗漏、浸蚀等严重问题。目前国内在塑料检查井的应用方面已经有了很大的进展，有相关的政策扶持，还制定了检查井的加工、施工规范。以上的两点可以很好的预示着将来塑料水窖会是水窖的应用趋势。1.1.2课题的来源本课题来源于云南普尔顿公司的委托项目，以该公司生产的雨水收集储存池（塑料水窖）为研究对象，建立有限元模型，利用有限元分析软件对水窖在静载荷作用下进行分析，为塑料水窖的结构优化奠定基础。1.2课题研究的目的与意义塑料水窖的应用尚且处于起步阶段，对于其结构的设计、材料的选择和使用具有未知性。针对目前已经设计生产出来的水窖，对其进行相关的分析研究，可以获得水窖在不同工况下不同部位的变形和应力状况。这些结果对于塑料水窖的推广和新品种塑料水窖的开发具有积极的意义。另外，塑料水窖在我国的发展前景广阔。我国西北地区水资源缺乏，水窖的使用非常广泛，而且地形、地质条件不好，传统的水窖已经暴露出了很多弊端，亟待新型的水窖来解决这些问题。而且塑料水窖在2010年南方旱灾时期，由于其搭建方便、机动性强的特点，发挥了重要作用，故塑料水窖对于突发事件也具有特殊的作用。因此，塑料水窖的设计分析及研究具有重要的意义。1.3课题的主要研究内容本课题的主要研究内容是以塑料水窖为研究对象，通过有限元方法来得出塑料水窖在不同工况下的变形和应力状况，以满足塑料水窖在设计过程中的刚度和强度要求。具体来说就是首先用Solidworks建立塑料水窖的实体模型，利用有限元分析软件ANSYS建立塑料水窖的有限元模型，并且加载求解，得出塑料水窖在某一工况的位移与应力云图。分析得出的计算结果，找出所研究的塑料水窖结构的不合理处，为以后的结构优化奠定基础。1.4本章小结本章主要介绍该课题的研究背景和课题的来源，明确课题的研究目的，了解其重要意义，简要介绍课题研究的内容。第二章 有限元分析基础理论2.1有限元法概述2.1.1有限元法的核心思想有限元法(Finite Element Method, FEM)是一种求解微分方程（组）定解问题的数值方法。其核心思想是：将问题的定义域分解成有限个子域，在每个子域上将待求函数于有限个点上进行近似插值；根据有关的物理分析或数学分析，获得单个子域上有限个插值点的待求函数值与外界条件之间应该满足的方程组；通过系统综合，进一步得到原问题整个定义域所有插值点上待求函数值与外界条件应该满足的方程组；求解出所有插值点上的待求函数值；根据插值函数，就可以近似得到定义域上每个点的待求函数值，从而实现原问题的近似求解。在有限元方法中，定义域所分解成的有限个子域成为单元；将单元上的待求函数插值点称为节点；将每个单元上节点的待求函数值与外界条件之间满足的方程组称为单元方程组；将所有节点的待求函数值与外界条件之间满足的方程组称为总体方程组；将实现待求函数在有限个单元的有限个节点上近似插值的过程称为有限元离散。单元方程组和总体方程组一般为代数方程组，且在许多情况下是简单的线性代数方程组。在有些情况下，单元方程组和总体方程组也可能是常微分方程组。这样就保证了原问题通过有限元离散后，利用标准的数值解法就能够顺利求解。有限元法的特点突出体现在“有限”二字上，即将连续的定义域分解为“有限”个单元，单元上的物理特性采用“有限”个参数近似表征，从而实现整个定义域上的物理特性采用“有限”个参数近似表征。一般地，当单元的个数增加，或者单元上节点个数增加，单元上待求函数的差值精度也会相应提高。有限元法的思想充分体现了人类在认识复杂事物过程中经常采用的“化繁为简”、“化整为零”的基本思路。2.1.2有限元法的实现有限元法的核心思想使有限元法具有很强的程序性。只要能够采用有限元法，任何问题的求解都可以遵循一个标准的步骤。数学上采用有限元法求解问题的主要步骤如下所述：（1）单元划分，选择合适的单元形状，将确定的定义域分解成互不重叠的若干个单元；（2）单元分析，针对单元划分得到的每个单元，假设待求函数的近似形式，选择若干个节点，将近似函数表示成节点上插值函数的形式，然后利用单元上的插值函数，通过物理分析或数学分析，建立单元上节点的待求函数值与外界条件之间满足的方程组，即单元方程组；（3）系统综合，根据单元与单元之间应该满足的特性关系，利用所有单元方程组获得问题的总体方程组；（4）引入条件，引入问题中待求函数应该满足的定解条件，修改总体方程组，使其能够反映问题的特有性质；（5）求解方程（组），采用数值方法，求解修改后的总体方程组，获得待求函数的近似解。随着计算机技术的飞速发展，许多高等院校、研究机构及软件公司开发了各种功能强大的有限元分析软件。在工程实践中，大多数问题的有限元分析已经完全可以采用相应的有限元软件完成。采用现有软件开展有限元分析的典型流程是这样的： （1）数学物理建模阶段，对面临的工程问题进行必要的建模分析，确定分析问题的时间、空间区域（即定义域）以及能描述所分析问题的数学物理方程；（2）有限元模型前处理阶段，主要任务是建立完整的可以求解的有限元模型，完整的有限元模型包括全部的单元信息，节点信息和定解条件，其中定解条件一般包括边界的位移约束、受力条件、温度约束、热交换条件等，一般可以施加在定义域几何模型的点、线、面、体等几何元素上，也可以施加在节点、单元边、单元面、单元体等几何元素上；（3）数值计算阶段，该阶段主要进行结果输出选项、方程组求解算法、文件输出路径等设置，有限元法最终的解算都是关于节点待求函数值和外界条件之间的方程组；（4）结果后处理阶段，通过数字、图表、静/动态图像等方式显示得到的计算结果，显示方式对结果的合理性检查和理解具有较大的促进作用；（5）评价及优化改进阶段，评价及改进包括两方面的含义：一是对单次计算得到的结果精度或合理性的评价，并基于评价结果进行有限元计算模型的改进，二是对基于合理的计算结果对原问题进行的评价，以及基于评价结果进行工程设计的改进或优化。2.1.3有限元法的优越性 有限元法能够得到迅速的发展与愈来愈广泛的应用，除高速电子计算机的出现与发展提供了充分有利的条件外，还与有限元法所具有的优越性是分不开的。有限元法有如下优越性：（1）在固体力学及其他连续体力学中，只有一些特殊类型的位移场和应力场才能求得微分方程式的解，对于多数复杂的实际结构得不到解。而有限元法对于完成这些复杂结构的分析是一种十分有效的数值方法。有限元法是利用离散化将无限自由度的连续体力学问题变为有限单元节点参数的计算，虽然它的解是近似的，但适当选择单元的形状与大小，可使近似解达到满意的精度；（2）有限元法另一优点在于引入边界条件的办法简单，边界条件不需要进入单个有限元的方程，而是求得整个集合体的代数方程后再引进，所以对内部和边界上的单元都采用相同的场变量函数，而且当边界条件改变时，场变量函数不需要改变，这对编制通用化的程序带来了很大的简化；（3）有限元法不仅适应复杂的几何形状和边界条件，而且能处理各种复杂的材料性质问题，例如材料的各向异性，非线性，随时间或温度而变化的材料性质问题。另外它还可解决非均质连续介质的问题。其应用范围极为广泛；（4）有限元法通常采用矩阵表达形式，非常便于编制计算机程序，从而适于电子计算机的工作。2.1.4有限元法的发展概况在有限元法在正式被提出之前，已经有许多相关的理论被发展。1915年，Galerkin提出权函数与基函数相同的加权余量法，通常称为Galerkin法，该方法是目前推导有限元方程的数学方法之一。1870年，L.Rayleigh，1909年，Ritz各自独立地提出采用总体试探函数，近似求解泛函极值问题的方法，现在一般称Rayleigh-Ritz法，简称Ritz法，该方法也是目前推导有限元方程的重要方法。1943年，Courant对Ritz法作了重要的推广，引入三角域上的分片线性试探函数，结合最小势能原理求解扭转问题，克服了经典Ritz法要求试探函数满足全部边界条件的困难。这是变分法有限元的开始。1952年波音公司Jon Turner领导一个项目小组分析三角翼强度时，发现采用小的三角形组装机翼，可以准确地计算出机翼变形。1956年，M.J.Turner和R.W.Clough等在纽约举行的航空学会年会上，进一步将矩阵位移法推广到求解平面应力问题，他们将机翼类连续体结构划分为三角形和矩形单元块的组合，利用单元内近似位移函数求得单元刚度矩阵，从工程应用上发展形成了直接法有限元。1960年，加州理工大学的R.W.Clough在他的论文“The Finite Element Method in Plane Stress Analysis（平面应力分析的有限元法）”中首先采用了“有限元法（Finite Element Method）”一词，有限元法开始成为连续体离散化的一种标准研究方法。1963年至1964年Besseling, R.J.Melosh, R.E.Jones, R.H.Gallagher,卞学鐄等人证明了有限元法是基于变分原理的Ritz法的另一种形式，从而使Ritz法的所有理论基础都适用于有限元法。1965年，我国数学家冯康发表了基于变分原理的差分格式。20世纪70年代，大批数学家的介入，进一步奠定了有限元法的数学基础。新型单元发展、有限元解的收敛性研究等问题取得突破性进展。今天，有限元方法在工程上得到了广泛应用，经历了几十年的发展历史，理论和算法都日趋完善。随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元法在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径。现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已经离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电气、国防军工、船舶、铁道、石化、能源、科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃。2.2 ANSYS软件简介2.2.1 ANSYS家族概述及其发展ANSYS公司是由美国著名力学专家、美国匹兹堡大学力学系教授John Swanson博士于1970年创建并发展起来的，总部设在美国宾夕法尼亚州的匹兹堡，是目前世界CAE行业中最大的公司。ANSYS能与多数CAD软件结合使用，实现数据共享和交换，如AutoCAD、I-DEAS、Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor等，是现代机械产品设计中的高级CAD工具之一。在30多年的发展过程中，ANSYS软件不断改进提高，功能也不断增强，目前已发展到13.0版本。ANSYS软件是集结构、热、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件。ANSYS用户涵盖了机械、航空航天、能源、交通运输、土木建筑、水利、电子、生物、医学和教学科研等众多领域。ANSYS软件提供了一个不断改进的功能清单，具体包括：结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分、大应变/有限转动功能以及利用ANSYS参数化设计语言（APDL）的扩展宏命令功能。基于Motif的菜单系统使用户能够通过对话框、下拉式菜单和子菜单进行数据输入和功能选择，为用户使用ANSYS提供导航。2.2.2 ANSYS的功能ANSYS系列是一套可自由选配集成的功能模块组成的产品，用户可根据需要集成某些模块以满足各自行业的工程需要。以下是ANSYS功能的介绍。ANSYS耦合场分析（ANSYS/Multiphysics）：是一款多物理场耦合的分析程序包，可以进行结构、热、流体流动、电磁等独立分析，也可以进行这4大物理场耦合分析，模拟它们工作时的相互作用，以逼近真实世界的行为。ANSYS机械分析（ANSYS/Mechanical）：提供完整的结构、热、压电及声学分析功能。ANSYS结构分析（ANSYS/Structural）：提供完整的结构分析功能，包括以下几个方面：1、静力分析，用于静态载荷，可以考虑结构的线性及非线性行为；2、模态分析，计算线性结构的自振频率及振形，谱分析是模态分析的扩展，用于计算由随机振动引起的结构应力及应变；3、谐响应分析，确定线性结构对随时间按正弦曲线变化的载荷的响应；4、瞬态动力学分析，确定结构对随时间任意变化的载荷的响应，可以考虑与静力分析相同的结构非线性行为；5、特征屈曲分析，用于计算线性屈曲载荷并确定屈曲模态形状，结合瞬态动力学分析可以实现非线性屈曲分析；6、专项分析，用于模拟非常大的变形，惯性力占支配地位，并考虑所有的非线性行为。ANSYS热分析（ANSYS/Therm）：热分析一般不是单独的其后往往进行结构分析，计算由于热膨胀或收缩不均匀引起的应力，主要包括相变（熔化及凝固）、内热源、热传导、热对流、热辐射这几种类型。ANSYS电磁分析（ANSYS/Emag）：电磁分析中考虑的物理量是磁通量密度、磁场密度、磁力、磁力矩、阻抗、电感、涡流、耗能及磁通量泄漏等，电磁分析主要包括：1、静磁场分析，计算直流电（DC）或永磁体产生的磁场；2、交变磁场分析，计算由于交流电（AC）产生的磁场；3、瞬态磁场分析，计算随时间随机变化的电流或外界引起的磁场；4、电场分析，用于计算电阻或电容系统的电场；5、高频电磁场分析，用于微波及RF无源组件的分析。ANSYS流体分析（ANSYS/FLOTRAN）：流体分析主要用于确定流体的流动及热行为，主要包括：1、CFD（Coupling Fluid Dynamic 耦合流体动力学），用于流体动力学分析功能；2、声学分析，考虑流体介质与周围固体的相互作用，进行声波传递或水下结构的动力学分析；3、容器内流体分析，考虑容器内的非流动流体的影响；4、流体动力学耦合分析，在考虑流体约束质量的动力响应基础上，在结构动力学分析中使用流体耦合单元。ANSYS/LS-DYNA：提供显示计算功能，用于解决高度非线性结构动力问题，主要提供模拟板料成形、碰撞、爆炸、大变形冲击、材料非线性等计算能力。2.2.3 利用ANSYS进行分析的基本过程ANSYS分析过程包含3个主要的步骤：前处理、加载并求解、后处理。1、前处理在进行有限元分析之前，建立分析对象结构的有限元模型是有限元分析的第一步，模型生成的目的是建立能够真实反映实际工程原型行为特征的数学模型。有限元模型的建立一般由以下两种方式：一种是直接建立法生成有限元模型，可以在ANSYS中直接建立，或者也可以直接读入其他有限元程序生成的节点单元数据；另一种是自动网格建立法，先建立实体模型，然后定义单元属性划分网格生成节点和单元。直接建立法对于复杂结构而言，建模过程不仅繁琐容易出错，这种方法比较适用于几何外形简单的机械结构，并且产生的节点、单元数目较少。自动网格建立法，对于复杂的系统而言比较有效果，尤其是对于三维空间复杂的系统最为有用，但是网格的划分需要实际积累的经验，良好的网格划分不仅能保证结果的正确性，而且使计算的代价大为减少。对于自动网格的建立，ANSYS提供了与其它CAD软件和有限元分析软件的接口。虽然ANSYS软件本身具有实体建模功能，但其实体建模功能与专业的CAD软件相比而言比较简单。对一些简单实体，可以在ANSYS中直接建立实体模型，然后定义单元属性划分网格生成节点和单元。但对于一些复杂的结构，实体建模时操作十分繁琐，必须进行大量的简化才能够进行，且网格的质量无法预料，模型能否反映实际结构难以保证。有了这样的接口，用户就可以在自己熟悉的CAD软件中建立几何模型，然后通过这个接口输入到ANSYS中，做适当的修改后转化成ANSYS的几何模型，然后进行网格划。2、加载并求解在该阶段定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项,然后开始有限元求解。加载即用边界条件数据描述结构的实际情况,即分析结构和外界之间的相互作用。载荷的含义有:自由度约束位移、节点力(力,力矩)、表面载荷压力、惯性载荷(重力加速度,角加速度)。直接在实体模型上加载优点是几何模型加载独立于有限元网格,重新划分网格或局部网格修改不影响载荷;同时加载的操作更加容易,尤其是在图形中直接拾取时。但要注意:无论采取何种加载方式,ANSYS求解前都将载荷转化到有限元模型上。因此,加载到实体的载荷将自动转化到其所属的节点或单元上。3、后处理后处理是指检查并分析求解的结果的相关操作。这可能是分析中最重要的一环之一，因为任何分析的最终目的都是为了研究作用在模型上的载荷是如何影响设计的。检查分析结果可使用两个后处理器：POST1（通用后处理器）和 POST26（时间历程后处理器）。 POST1 允许检查整个模型在某一载荷步和子步（或对某一特定时间点或频率）的结果。POST26 可以检查模型的指定节点的某一结果项相对于时间、频率或其它结果项的变化。需要注意的是 ANSYS 的后处理器仅是用于检查分析结果的工具。要判断一个分析的结果是否正确，或者对结果进行解释，仍然需要工程判断能力。2.3 本章小结 本章主要介绍了有限元方法的相关知识，有限元方法的核心思想及其实现方法是重要的内容。接下来介绍了一款功能强大的有限元分析软件ANSYS，简单介绍了该软件的发展，详细介绍了它的主要功能模块和使用ANSYS进行分析的基本步骤。第三章 塑料水窖的有限元分析 对于塑料水窖的设计分析及研究，采用有限元法来进行，并且使用有限元软件ANSYS来实现塑料水窖的有限元分析。这样，按照前处理、加载求解、后处理的过程来进行。3.1 塑料水窖实体模型的建立本课题研究的是云南普尔顿公司生产的塑料水窖，材料为通海/仁智1:2混料，水窖由窖壁和侧盖通过螺栓连接而成，接触面之间有橡胶片，起到密封的作用，水窖体积的大小可以通过装配的窖壁数量来改变，其外观图如下：图3-1 塑料水窖外观图在使用ANSYS进行有限元分析前必须要有分析对象的有限元模型，有限元模型可以直接在ANSYS里直接创建，也可以通过先建立分析对象的实体模型后使用网格划分工具对实体模型进行操作，生成有限元模型。而对于实体模型的创建也可以在ANSYS软件里进行，这样生成的模型简单、计算量少，但是由于ANSYS提供的造型工具相对较少，对于复杂的实体模型的建模具有难度，故先使用其他软件建立实体模型，然后导入到ANSYS中划分网格，建立有限元模型。塑料水窖实体模型的建立采用三维CAD软件SolidWorks 2009 SP0.0，分别建立水窖的各个模型，然后建立一个装配体模型。在实体的建模过程中省略了密封垫和螺栓及螺栓孔的建模。建模的过程中主要使用了SolidWorks的草绘功能、拉伸凸台、拉伸切除、旋转凸台、旋转切除及创建参考几何体等功能。以下是使用SolidWorks建模后经过Photo View 360渲染生成的模型图片： 图3-2 窖壁（不带孔） 图3-3 窖壁（带孔） 图3-4 侧盖 图3-5水窖装配3.2 塑料水窖有限元模型的建立3.2.1 定义单元类型有限元法的基本思想是把复杂的形体拆分为若干个形状简单的单元，利用单元节点变量对单元内部变量进行插值来实现对总体结构的分析，将连续体进行离散化，即称为网格划分。离散而成的有限元集合将替代原来的弹性连续体，所有的计算分析都将在这个模型上进行。因此，实体单元的选择和网格划分将关系到有限元分析的规模、速度和精度以及计算的成败。在对本课题的有限元分析计算当中，我用到了两种类型的有限元单元，分别是SOLID45和SURF154。接下来对这两种单元类型做一些介绍。SOLID45单元用于构造三维固体结构。单元通过8个节点来定义，每个节点有3个沿着X，Y，Z方向的平移自由度。单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大应变能力，类似的单元有适用于各向异性材料的SOLID64单元。SOLID45单元的更高阶单元是SOLID95，单元由8个节点和各向同性材料参数来定义。各向同性材料方向对应于单元坐标系方向，单元载荷包括节点载荷和单元载荷。图3-6 SOLD45单元SURF154单元用于施加表面效应功能，适用于各种载荷，它具有强大的功能。特别是对于施加载荷的表面是一个曲面，若是直接使用加载工具，就需要一个单元一个单元地改变节点坐标系，这样的工作量是相当大的，表面效应单元就可以来解决问题了。SURF154是3D表面效应单元，用于3D元素。图3-7 SURF154单元在本课题的有限元分析计算中，当水窖被埋于土下时，水窖的窖壁会受到泥土对其的下曳力，这种下曳力相当于泥土对于窖壁的摩擦力，它是与作用表面相切的。而且由于窖壁是曲面形状，这就遇到了前面所讲述的问题，故要选用SURF154单元来创建表面效应单元。接下来是对塑料水窖的侧盖生成表面效应单元的简单介绍。首先在前处理器PREP7的Element Type中定义单元类型SURF154，其标号为2（如图3-8）；图3-8 定义SURF154接下来选出水窖侧盖的外表面，把这组面创建成一个组，就可以直接调用（如图3-9）图3-9 侧盖外表面在前处理器PREP7的Modeling中创建单元，赋予单元属性中的单元类型为SURF154（如图3-10）；图3-10 赋予单元属性选择Surf/Contact中的Surf Effect，选择General Surface中的Extra Node，这时要保证预先选择出在整个表面上的节点，接下来就创建好了表面效应单元（如图3-11）；图3-11 表面效应单元更改显示控制，显示单元的局部坐标（如图3-12），可以看到各单元的局部坐标是各不一样的，显得杂乱无章，这样不能满足要加载荷的要求了，这就需要改变各单元的局部坐标，使它们保持一致；图3-12 杂乱无章的单元局部坐标所以首先创建一个与工作平面一致的局部坐标，标号为11，然后在Modeling中选择Move/Modify，更改表面效应单元的属性，使其单元局部坐标与标号为11的局部坐标属性一致，这样就使得各个单元的局部坐标一致了（如图3-13）；图3-13 修改后的单元局部坐标在创建完表面效应单元，并且修改了单元的局部坐标之后，就需要给创建好的表面效应单元创建一个组，方便在以后的加载过程中调用该单元。创建完成表面效应单元的组之后的状态如图3-14所示。图3-14 创建完成后的表面效应单元组3.2.2 定义材料属性 塑料水窖所采用的材料是聚乙烯塑料，在实际工程中使用了通海/仁智1:2混料，该种材料经过拉伸测试，其主要性能指标为：最大强度14.39MPa，弹性模量0.13GPa。在本课题的有限元分析中，仅对塑料水窖进行静载荷的分析，故在ANSYS中定义材料属性时，定义其为结构分析中的各向同性线弹性材料，弹性模量值EX=1.3E8，泊松比PRXY=0.3。3.2.3 导入实体模型在ANSYS软件中定义完单元类型、材料属性后，就要创建分析对象的物理模型，可以在ANSYS软件里直接建立，也可以先用其他的三维建模软件建立模型，然后再导入到ANSYS中。在本课题的有限元分析过程中，由于塑料水窖的模型较复杂，所以采用SolidWorks先建立了塑料水窖的装配体模型，然后保存为Parasolid格式（.X_T格式），再使用ANSYS的Import功能导入实体模型，导入后的实体模型如图3-15所示。图3-15 塑料水窖整体模型由于塑料水窖是一个对称的实体模型，在考虑到划分网格和分析计算的效率问题后，决定导入实体模型的二分之一进行计算，这里导入的模型是关于XOY平面对称。导入的二分之一模型如图3-16所示。图3-16 塑料水窖1/2模型 在模型导入完成之后，需要进行一步布尔运算。由于模型由五个实体组成，若不进行该步操作，模型是五个独立的实体，就不能模拟窖壁之间，还有窖壁与侧盖之间的螺栓连接关系。所以使用GLUE操作使五个实体之间有公共的边界。粘合运算（即GLUE操作）是将不连续的同等级对象重叠处变为连续体，该命令与搭接命令（OVLAP）类似，只是图元之间仅在公共边界处相关，且公共边界的维数低于原始图元的维数。3.2.4 划分网格在ANSYS中生成实体模型后，就开始建立分析对象的有限元模型了。划分网格是建立有限元模型的一个重要环节，它要求考虑的问题较多，工作量较大，所划分的网格形式由于划分者的水平和思路的不同而千差万别，因而对计算精度和计算规模将产生直接影响。首先需要把单元属性分配给实体模型，前面已经重点讲过关于侧盖表面效应单元的创建，而且表面效应单元是在划分网格结束后，对节点创建的，所以在这之前还是要求对所有实体模型进行网格划分。我使用Meshing中的Mesh Attributes功能把SOLID45单元类型赋予给塑料水窖的二分之一模型，同时赋予了以上介绍的材料属性。接下来就是划分网格，创建完有限元模型后的塑料水窖1/2模型如图3-17所示。图3-17 塑料水窖有限元模型由于所分析的塑料水窖模型很大，而且水窖在周向和径向都均布筋板，考虑到计算效率的问题，我选用的网格密度是智能尺寸控制（smart size）6级，网格形状为四面体（Tet），采用自由网格（Free）划分，划分网格结束后生成的最大单元数是617637，最大节点数是203809。3.3 塑料水窖有限元模型的加载和求解3.3.1 塑料水窖的工况分析塑料水窖在使用的过程中主要有以下三种工况：工况一：塑料水窖被置于地面上，在水窖的底部由地面支撑，同时在底部的一块窖壁两侧有支撑；工况二：塑料水窖被埋于土下，泥土刚好盖过水窖的顶部，水窖内部没有盛水，是空载；工况三：塑料水窖被埋于土下，泥土刚好盖过水窖的顶部，水窖内部盛满了水。其中工况二和工况三是塑料水窖的两种极限状态，工况一中又包含三种情况，用来寻找工况一时的临界水位。3.3.2 施加载荷由于对塑料水窖的分析包含三种工况，所以在分析计算前施加载荷时也需要分情况来讨论。首先介绍下水窖可能受到的载荷，并且给出其计算公式。1、作用于塑料水窖上的竖向土压力，其标准值应按下式计算：FSV,k=SHS 公式（3-1）式中 FSV,k-竖向土压力标准值（kN/m2）; S-回填土重度（kN/m3）; HS-塑料水窖收口处覆土厚度（m）。2、作用于塑料水窖上的侧向土压力，其标准值应按下式计算： Fep,k=KaSz 公式（3-2）式中 Fep,k-侧向土压力标准值（kN/m2） Ka-主动土压力系数，应根据土的抗剪强度确定，当缺乏试验资料时，对沙土或粉土可取1/3；对粘土可取1/31/4; S-回填土重度（kN/m3）； z-自地面至计算截面处的深度（m）。3、作用于塑料水窖窖壁上的下曳力，其标准值可按下式计算： PD=TAD02/4 公式（3-3） TA=(Fep,k1+Fep,k2)/2 公式（3-4）式中 PD-下曳力标准值（kN）; D0-塑料水窖侧盖外径（m）; TA-塑料水窖侧盖单位面积上的平均下曳力标准值（kPa）; Fep,k1-作用于塑料水窖顶部的侧压力标准值（kPa）; Fep,k2-作用于塑料水窖底部的侧压力标准值（kPa）; -塑料水窖与回填土之间的摩擦系数，应根据试验资料确定。当缺乏试验资料时，若水窖外壁光滑，摩擦系数可参照表3-1选用；若窖壁采用双臂波纹管制作时，摩擦系数可取1.0；若水窖外壁设筋板或用开口型材增强时，摩擦系数1.0。表3-1 塑料水窖与回填土之间的摩擦系数回填土摩擦系数软土1.100.15湿陷性黄土0.120.20粘性土、粉土0.150.25砂土0.200.304、作用于塑料水窖内壁的水压力，其标准值可按下式计算： Pw=gH 公式（3-5）式中 Pw-作用于内壁的水压力标准值（Pa）； -纯水的密度，取值1000kg/m3; g-重力加速度，取值9.8m/s2; H-自水窖内壁底部到水面的深度（m）。塑料水窖处于工况一的状态，这时不考虑塑料水窖的自重，在水窖的底部窖壁施加垂直于地面的约束，即为Y方向的约束，施加在窖壁径向筋板的上表面，为了使水窖底部处于简支状态，同时在各径向筋板的两侧面施加X方向的约束；之后就在水窖的内表面上施加水压力，使用了Functions功能，定义水压的分段函数。塑料水窖在工况二的状态下，水窖刚好被埋于泥土下，这时，我使用了与工况一相同的约束状态，然后加载泥土对水窖的压力及下曳力。由于水窖是被刚好埋于泥土下，所以其覆土厚度为0m，土对水窖的竖向土压力为零。土对水窖的窖壁和侧盖都有侧向土压力，同样使用Functions功能，定义侧向土压力的分段函数。对于土对水窖侧盖的下曳力，就是用在之前定义好的表面效应单元，下曳力被看作均匀分布于侧盖表面，是一个固定的值。塑料水窖在工况三的状态下，土对水窖的载荷与上面相同，只是在水窖的内壁加载了水压力。 在各种工况的约束和载荷施加完成后，就可以进行有限元分析计算了。3.4 计算结果后处理 建立有限元模型并求解后，为了得到关键问题的答案，就要使用后处理功能。后处理用来检查分析的结果，这可能是分析中最重要的一个环节。由于本课题研究的是塑料水窖的静载荷分析，所以只施加了一个载荷步，在计算完成后，只要用通用后处理器（POST1）就可以显示最终的结果。在本课题的研究中，我选择了采用节点结果的云图显示。3.4.1 工况一1、水窖内部装有1/2的水，其节点结果如以下各图所示。 图3-18 总体位移云图（正面） 图3-19 总体位移云图（侧面）从这两幅图可以看出塑料水窖在工况一，装有1/2水的情况下，其总变形具有对称性，最大位移发生在水窖侧盖的下部，最大值为0.13964m。 （a） X方向位移云图 （b） Y方向位移云图（c） Z方向位移云图图3-20 X、Y、Z方向位移云图图3-21 应力云图 图3-22 应力云图（最大值处） 从这两幅图可以看出塑料水窖在工况一，装有1/2水的情况下，其冯米塞斯应力具有对称性，最大应力发生在水窖侧盖的中下部，最大值为5.37MPa。2、水窖内部装有3/4的水，其节点结果如以下各图所示。 图3-23 总体位移云图（正面） 图3-24 总体位移云图（侧面）从这两幅图可以看出塑料水窖在工况一，装有3/4水的情况下，其总变形具有对称性，最大位移发生在水窖侧盖的中下部，最大值为0.294809m。（a） X方向位移云图 （b） Y方向位移云图（c） Z方向位移云图图3-25 X、Y、Z方向位移云图图3-26 应力云图 图3-27 应力云图（最大值处）从这两幅图可以看出塑料水窖在工况一，装有3/4水的情况下，其冯米塞斯应力具有对称性，最大应力发生在水窖窖壁与侧盖连接处的筋板上，最大值为18.4MPa。3、水窖内装满了水，其节点结果如以下各图所示。 图3-28 总体位移云图（正面） 图3-29 总体位移云图（侧面）从这两幅图可以看出塑料水窖在工况一，装满水的情况下，其总变形具有对称性，最大位移发生在水窖侧盖的中部周围，最大值为0.480416m。 (a) X方向位移云图 （b） Y方向位移云图（c） Z方向位移云图图3-30 X、Y、Z方向位移云图 图3-31 应力云图 图3-32 应力云图（最大值处）从这两幅图可以看出塑料水窖在工况一，装满水的情况下，其冯米塞斯应力具有对称性，最大应力发生在水窖窖壁与侧盖连接处的筋板上，最大值为39.7MPa。4、由于在计算得出的结果中，最大应力有超过了材料的强度极限，故要计算出一个临界的水位，使在这种状态下能够装最多的水而水窖不被破坏。在经过几次反复试验之后，最后得到了一个近似的临界水位。以下是该水位状态下的节点结果云图。图3-33 总体位移云图（正面） 图3-34 总体位移云图（侧面）从这两幅图可以看出塑料水窖在工况一，临界水位的状态下，其总变形具有对称性，最大位移发生在水窖侧盖的中下部，最大值为0.256421m。(a) X方向位移云图 （b）Y方向位移云图（c）Z方向位移云图图3-35 X、Y、Z方向位移云图图3-36 应力云图 图3-37 应力云图（最大值处）从这两幅图可以看出塑料水窖在工况一，临界水位状态下，其冯米塞斯应力具有对称性，最大应力发生在水窖窖壁与侧盖连接处的筋板上，最大值为14.2MPa，小于塑料水窖所用材料的强度极限值14.39MPa。3.4.2 工况二工况二下塑料水窖的有限元分析的节点结果如以下各图所示。图3-38 总体位移云图（正面） 图3-39 总体位移云图（侧面）从这两幅图可以看出塑料水窖在工况二状态时，其总变形具有对称性，最大位移发生在水窖侧盖的中下部，最大值为0.167199m。（a）X方向位移云图 （b）Y方向位移云图（c）Z方向位移云图图3-40 X、Y、Z方向位移云图图3-41 应力云图 图3-42 应力云图（最大值处）从这两幅图可以看出塑料水窖在工况二状态时其冯米塞斯应力具有对称性，最大应力发生在水窖窖壁与侧盖连接处的侧盖边缘上，最大值为6.42MPa。3.4.3 工况三工况三下塑料水窖的有限元分析的节点结果如以下各图所示。图3-43 总体位移云图（正面） 图3-44 总体位移云图（侧面）从这两幅图可以看出塑料水窖在工况三状态时，其总变形具有对称性，最大位移发生在水窖侧盖的中上部，最大值为0.038598m。(a)X方向位移云图 （b）Y方向位移云图（c）Z方向位移云图图3-45 X、Y、Z方向位移云图 图3-46 应力云图 图3-47 应力云图（最大值处）从这两幅图可以看出塑料水窖在工况三状态时，其冯米塞斯应力具有对称性，最大应力发生在水窖窖壁筋板与侧盖边缘上，最大值为2.02MPa。3.5 结果分析在塑料水窖有限元分析时，其约束的施加是一个关键的问题，不同的约束会引起计