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玻璃钢泵站的有限元分析和优化设计

2024-04-13 30次
摘要:本文以某一实际泵站为例,按照实际边界条件建立模型,对立式埋地玻璃钢一体化预制泵站的强度、刚度和稳定性进行有限元分析,发现原泵站存在很大性能浪费。经过优化设计后,泵站在满足使用条件、符合标准要求的前提下,有效降低了生产成本。泵站的破坏形式主要是筒壁失稳,在实际工程中,为保证稳定性,可提高刚性环的高度,须结合生产实际给出刚性环的合适宽高比。

泵站广泛使用在市政工程、铁路工程、下立交等场合的雨污水收集提升排放及原水取水等。过去几十年混凝土泵站是主流泵站,但混凝土泵站存在很多问题:混凝土材质需要现场浇筑,施工周期长,建设成本高,使用过程中容易发生污水渗漏,污染周边环境等。

混凝土泵站暴露出的缺陷,让人们开始寻求性能更优越的替代品,一体化预制泵站在这一背景下应运而生。一体化预制泵站(Integrated Prefabricated PumpingStation)在发达国家被广泛地应用于污水处理行业已有几十年历史,近些年该产品被引入中国后,因其显著优势而逐步得到应用和推广。相较于传统泵站,一体化预制泵站使用轻质高强的玻璃钢材料,强度高,耐腐蚀,建造成本低;采用集成化结构设计,产品美观大方,占地面积小,建设周期短;产品自动化程度高,使用寿命长,对周边环境影响小。

目前,国内尚无一体化预制泵站的设计规范或行业、国家标准,其设计、制造往往仅依据经验而没有统一的流程,在各种项目中,泵站局部开裂、失稳和浮起等现象时有发生。本文以某 DN2500 泵站为例,对其进行有限元分析,校核其强度、刚度和稳定性并进行优化设计。

泵站模型

泵站高度h=6.5mm,内径D=2500mm,简体厚度 t=15mm(筒体壁厚为某公司经验值)。出水口为不锈钢法兰,进水口为玻璃钢法兰。泵站筒体采用定长缠绕工艺制作,封头采用手糊工艺制作,底座高度 600mm。刚性环采用环向缠绕,截面为矩形,宽度 b=100mm,高度a=40mm,共6道,间距L=1000mm。简体内衬层厚度 1.8mm,结构层厚度 13.2mm。结构层环向缠绕(简称H)6(缠绕角86.0°),螺旋缠绕(简称S) 12(缠绕角 63.0°),铺层顺序为:2H+4S+1H+4S+1H+4S+2H。泵站结构见图1。各种材料的密度各方向弹性模量、泊松比、剪切模量见表 1

金属材料增材制造技术的发展前景

在金属材料增材制造技术的应用过程中,还存在着以下三方面的问题:第一金属粉末在熔化过程中存在着一定的形成缺陷,如果不能对这些缺陷进行有效的控制,那么制件的质量将得不到保证:第二金属材料增材制造的主要热源参数为激光功率、光斑直径、扫描速度等,这些对熔化金属热和应力的影响研究深度还十分有限,激光能量密度、电子東偏转等对金属成形的影响研究也十分浅显;第三金属粉末的化学成分以及熔化状态下的流动性与铺展性,均会对制件的结构和性能产生影响,但是以何种方式产生影响,还没有明确。

在这种情况下,未来一段时间内,金属材料增材制造技术的应用要想更加深入,需要加强以下几方面的研究力度。第一加强金属材料增材制造技术的相关基础理论研究,将研究重点集中到制件的显微组织、微观缺陷、力学性能以及致密度等方面。第二加强新型激光和电子東系统的研究,进一步开发金属材料 3D 打印设备,保证金属材料的3D 快速成形。第三加强新型金属粉末的研究力度,优化制件的致密度、表面尺寸精度以及表面粗糙度。第四加强金属 3D 打印制品质量检测的研究[24 结语

金属材料增材制造技术是当今时代最具发展潜力的技术,在钛合金、高温合金、铝合金以及镁合金等方面有着广泛的应用。但是,金属材料增材制造技术要想实现真正的工业应用,还有很长的一段路要走。对此,还要进一步加强金属材料增材制造技术的研究与应用。

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