复合材料检查井盖的结构优化设计
第24卷 第2期2003年6月
太原重型机械学院学报
JOURNALOFTAIYUANHEAVYMACHINERYINSTITUTE
Vol.24 No.2
Jun.2003
文章编号:1000-159X(2003)02-0146-03
,,太原030024)
摘MSC.Marc对树脂基复合材料检查井盖进行了初步的结构优化设计,得出了较合理的井盖结构。压力实验与Marc计算结果相当吻合,表明实验测定的材料参数是正确的,Marc计算结果是可靠的,利用Marc设计的井盖可应用于工程实际。
关键词:复合材料;井盖;MSC.Marc;实验;结构优化
中图分类号:TB332 文献标识码:A
随着我国经济的飞速发展,我国交通、通讯等基础设施的建设又迎来了一个新周期。检查井盖在城市规划和道路建设中得到大量使用。关于检查井盖被盗造成重大人身交通事故的报道也时有所闻,在社会上造成恶劣影响。随着新材料的不断涌现,各类非金属井盖相继面世。树脂基复合材料井盖以其轻质高强、抗疲劳性能好、破损安全性好、成型工艺性优越、车碾噪音小、不腐蚀、耐酸碱、外表美观等优点,并能很好解决铸铁井盖被盗的问题,成为铸铁井盖的理想替代产品。
表1 材料参数
Tab.1Materialparameters
1 实验部分
111 参数获得
实验环境:温度23±2℃,相对湿度45%255%。
原材料:实验中选用无碱玻璃纤维无捻粗纱布为增强材料,并经过一定的表面处理。基体树脂为不饱和聚脂树脂。
材料配方:促进剂1.5%,固化剂1%,增强纤维33%。通过“单向纤维增强塑料平板试件”的拉伸实验
和面内剪切实验,得到该配方材料参数如表1所示。 112 实体模型压力实验
拉伸强度(MPa)
FLT
弹性模量(GPa)
EL
ET
EN
14.413.65.8
泊松比
νLT
νTNνNL0.1490.30.1
剪切模量(GPa)
GLT
GTN
GNL
采用手糊成型工艺糊制1∶1检查井盖模型如图1所示。实验环境,原材料及其配方与2.1节相同。室温固化24小时脱模。
1.781.691.46240
脱模后进行后处理,在60℃2800℃加热24小时,使之充分固化。修边后进行压力实验。加载设备所
能施加的载荷在0kN2600kN,测力仪器误差低于±3%,加载实验装置如图2所示。
收稿日期:2002-09-25
作者简介:林金保(1979-),男,硕士研究生,研究方向为复合材料结构优化设计。
第24卷第2期 林金保,等:复合材料检查井盖的结构优化设计147
图
图4 井盖结构
Fig.4Welllidstructure
212 结果比较
Marc分析与压力实验结果表明,实验模型的最
大挠度发生在井盖下层中心点处。表2为Marc分析与实验值比较结果。
表2 Marc计算值与实验值结果比较
Tab.2CompovrisonofcalculatedvaluebyMovrs
withresultsexperiment
图2 加载实验装置
Fig.2Deviceofloadingexperiment
项目
实验值(单位mm)
载荷
5t3.43.10
10t6.46.12
15t9.6
20t12.7
Marc计算值(单位mm)9.2512.27
相对误差11.44.6%3.6%3.4%
213 结果分析
由表2知,Marc分析与实验结果相当吻合,表明2.1节测得的材料参数是正确的,Marc分析方法是可靠的,这为检查井盖的结构优化设计奠定了基础。
3 检查井盖的结构优化设计
图3 井盖有限元分析模型
Fig.3Welllidmodeloffiniteelement
analysis
参考“再生树脂复合材料检查井盖”行业标准,利用MSC.Marc有限元分析软件进行结构设计。通过初步设计及大量模型的计算分析、比较得到如图4所示的结构形式。在外载为100kN的作用力下,其挠度分布云图如图5所示,等效应力分布云图如图6所示。
由图5、图6知,采用图4结构,有效降低了最大挠度和等效应力,节省材料,美观大方,目前这种方案已投入生产。
2 MSC.Marc分析与实验结果比较
211 Marc分析
采用Marc对实验模型井盖进行有限元分析,因模型为轴对称,可取1/4分析。本文采用八节点六面体单元,材料参数采用2.1节测得的数据。Marc分析模型如图3所示。
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图(Fig.5distributionplot
图6 等效应力分布云图单位(MPa)
Fig.6Equivalentstressdistribution
参考文献:
[1] 沃丁柱.复合材料大全[M].
北京:化工工业出版社,2000:8102813
1
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OptimumDesignofInspectionWellLidwithCompositeMaterials
LINJin2bao,LIANGQing2xiang,ZHANGShao2qin
(TaiyuanHeavyMachineryInstitute,Taiyuan030024,China)
Abstract:DesignismadetoresinmatrixcompositematerialsinspectionwelllidbyfiniteelementsoftwareMSCMarc.Abetterwelllidstructureisthereforegot.ThegoodaccordanceofpressureexperimentsandMarccomputationalresultsshowthatparametersgotfrom
experimentsarecorrectandthewelllidcanbeusedinprac2tice.
Keywords:compositematerials;welllidMSCMarc;experiment;configurationoptimization