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摘 要： 塑料检查井埋入地下后会受多种载荷影响，若井壁没有足够的强度和刚度常导致变形，严重时甚至断裂，大大降低检查井工作性能。此外，检查井受到路面车辆等造成的激振作用，若发生共振现象，易造成疲劳损伤。针对此，本文提出6种加筋方案，对埋深5 m的井壁结构进行受力分析，利用ANSYS软件对不同加筋结构进行静力仿真，对满足指标要求的两种网状加筋结构进行6阶模态分析。分析结果表明：加筋方案有利于提高塑料检查井井壁的强度和刚度，且在相同加筋密度下网状加筋优于条状加筋，三角形肋板优于方形肋板，其中三角形网状加筋方案对井壁刚度和强度的提升最明显;三角形网状加筋结构和方形网状加筋结构的固有频率均避开外界激振频率范围。
关键词： 人塑料检查井;ANSYS;加筋结构;静力分析;模态分析
中图分类号： TU992 文献标识码： A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.06.033
本文著录格式：蒋佳骏，吴张永，王文菊，等. 基于ANSYS塑料检查井井壁加筋结构仿真分析[J]. 软件，2020，41（06）：158163
【Abstract】： When the plastic inspection well is buried in the ground， it will be affected by various loads. If the wall of the well does not have enough strength and rigidity， it will often lead to deformation， even fracture， which greatly reduces the working performance of the inspection well. In addition， if the inspection well is excited by the road vehicles， it is easy to cause fatigue damage if resonance occurs. In view of this， this paper puts forward six kinds of reinforcement schemes， analyzes the stress of the shaft wall structure with a depth of 5 m， makes static simulation of different reinforced structures with ANSYS software， and makes 6-order modal analysis of two kinds of mesh reinforced structures that meet the requirements of the index. The results show that the reinforcement scheme is beneficial to improve the strength and rigidity of the plastic inspection well wall， and the mesh reinforcement is better than the strip reinforcement under the same reinforcement density， and the triangular rib is better than the square rib， among which the triangular mesh reinforcement scheme is the most obvious to improve the rigidity and strength of the well wall; the natural frequencies of the triangular mesh reinforcement structure and the square mesh reinforcement structure are kept away from the outside Excitation frequency range.
【Key words】： Plastic inspection well; ANSYS; Reinforced structure; Static analysis; Modal analysis
0 引言
檢查井是设置在地下管道交叉处、转弯处、管径或坡度改变处等，便于定期检查、清洁和疏通地下管道的附属构筑物[1]。塑料检查井是一种新型检查井，相较于传统砖砌检查井，具有耐候性强、密封性好、便于清通、环保节能等优点，目前市场上已有较广泛的应用[2-3]。
塑料检查井在使用过程中受到多种载荷的作用，若无足够的强度和刚度，易出现变形、断裂等，严重影响检查井的性能，其失效形式如图1所示。
为改善塑料检查井结构的力学性能，满足使用要求和延长其使用寿命等[4]，国内一些学者对此进行了研究，如：周扬、周国庆等[5]对塑料板夹层双层井壁的轴对称变形进行分析，得到内外壁厚对井壁安全性的影响;宋佳等[6]对增强塑料埋地结构进行了有限元分析;张伟，魏若奇等[7]对塑料检查井结构完整性进行了分析研究。
本文在尽可能节约材料、降低成本的前提下，针对如何提高塑料检查井井壁的力学性能，提出加筋方案，探讨不同肋板形状和加筋形式对塑料检查井井壁力学性能的影响。
1 塑料检查井井壁受力分析 埋于地下的塑料检查井主要受到径向力、轴向力、剪切力等多种力的共同作用，不同类型的力对塑料检查井产生不同的影响。
1.1 塑料检查井井壁所受径向载荷的计算
埋于地下的塑料检查井，受到土壤的挤压和地下水造成的静液压产生径向载荷。径向载荷过大会使塑料检查井井壁发生环向应变，若应变值超过塑料材料的极限值，井壁会发生严重变形甚至断裂，严重影响塑料检查井的使用性能[8]。
2 加筋方案
2.1 塑料检查井加筋方案
为提升塑料检查井井壁的刚度和强度，加厚井壁是最直接、简单的方案。但直接加厚会消耗较多的原材料，导致检查井的自重增大，增加生产和安装成本。在塑料检查井的设计环节，为减轻井体的重量、提升产品经济效益，在确保刚度与强度达到设计要求的前提下，提出一种减小井壁厚度并采用加筋的方案[10]。
结构加筋按照形式可分为条状筋、网状筋、蜂巢状筋等，如图4所示。其中，条状筋加工工艺简单，成本较低，但提升井壁强度的能力有限。网状筋较条状筋能够更好的提升检查井结构的力学性能。蜂窝状筋的承受力较强，但模具的制造工艺 复杂，加工成本较高，本文不做考虑。本文对条状和网状加筋塑料检查井的应力应变情况进行对比 分析。
井壁加筋按照加筋位置可分为外壁加筋和内壁加筋。内壁加筋相较于外壁加筋，其埋入地下时所受载荷更加均匀，但内壁加筋的加工工艺较为复杂，并且会影响检查井内部的流场性能。此外，塑料检查井由于其重量轻、材料密度低等特点，在设计时需考虑抗浮措施。由式（3）可知，采用外壁加筋会增加井土间摩擦系数，使下拽力增大，能够提升 塑料检查井的抗浮性能，因此，本文采用外壁加筋方案。
2.2 肋板尺寸设计
肋板形状和尺寸对于加筋后的力学性能有较大影响，本文提供方形肋板和三角形肋板两种方案，并适当加厚井底。方形肋板主要尺寸如图5所示，取L=A=t。
相对于方形肋板，三角形肋板的尺寸更小，在性能相似的情况下，更加节省材料。三角形肋板主要尺寸如图6所示。
其中，t为检查井壁厚度;L为肋板高度，取L=（1～3）t;A为肋板宽度，取A=（0.25～1）t;R为肋根圆角，取（0.125～0.25）t;α为收缩角;r为顶部圆角，取r=0.125t[11]。跟据计算得到肋板尺寸如表1所示。
3 塑料检查井静态分析
3.1 塑料检查井材料参数设置
按照材料的力学性能在ANSYS中设置材料参数。本文研究的塑料检查井采用高密度聚乙烯（HDPE）材料，采用模挤热压工艺，其力学参数如表2所示。
3.2 塑料检查井有限元模型
跟据本文研究的某规格塑料检查井建立的有限元模型如图7所示。
网格采用实体六面体单元，网格划分质量检查结果为0.25～1，平均值>0.7。
3.3 约束载荷施加
塑料检查井由承压盖板固定，因此，将检查井与承压圈连接部分的节点设置固定约束。
表3为某规格塑料检查井尺寸参数。跟据受力分析可知，检查井径向载荷可跟据式（1）、式（2）计算，轴向载荷可跟据式（3）～式（5）算。
3.4 计算结果与分析
求解得到某规格塑料檢查井未加筋时的位移和应力云图如图8所示。由位移云图可知，检查井的变形最大位置位于井底中心，变形量为0.60 mm，变形率为5.0%。由应力云图可知，检查井应力最大位置位于井底与侧壁连接处，最大应力值为17.67 MPa。
求解得到某规格塑料检查井加网状筋的位移云图和应力云图如图9所示。由位移云图可知，检查井的变形最大位置位于井底中心，变形量为0.43 mm，变形率为1.8%。由应力云图可知，检查井应力最大位置位于井底与侧壁连接处，最大应力值为2.75 MPa。
同理将其他加筋形式计算结果整理后，绘制表格如表4所示。
由HDPE的材料参数和《塑料排水检查井应 用技术规程》[12]可知评价指标：许用应力值为 24.2 MPa，变形率≤2%。
结果分析如下：
（1）在侧壁未加筋、底部未加厚的情况下，检查井的最大应力值为17.67 MPa接近材料的许用应力值，且变形率超出了指标要求。
（2）加筋方案有利于提高塑料检查井的强度和刚度，且在相同加筋密度下，网状加筋优于条状加筋，三角形肋板优于方形肋板。
（3）三角形网状加筋方案和方形网状加筋方案满足指标要求。其中，三角形网状加筋方案的最大应力值为2.75 MPa，相较于方形网状加筋降低了5.95 MPa，远小于HDPE材料的许用应力，且三 角形网状加筋方案的最大变形率也更小，表明三角形网状加筋方案对检查井强度和刚度的提升效果 最佳。
4 网状加筋结构模态分析
路面行驶的车辆会对检查井产生动载荷，此外停在井盖上方的车辆在怠速时，会对检查井造成动态激振。为降低因振动导致的检查井结构疲劳破坏，进一步提升产品的使用寿命，对两种网状加筋形式的塑料检查井结构进行6阶模态分析。
4.1 模态分析计算结果显示
材料参数设置和约束载荷施加与3.1、3.2、3.3所述一致。求解后将计算结果整理绘制表5。
目前，国内小汽车多采用4缸四冲程汽油发动机，重型货车、自卸车、工程车辆等多采用6缸或8缸的四冲程柴油发动机。汽油发动机怠速转速在700-900 r/min，柴油发动机怠速转速在500-800 r/min。跟据式（8）可计算出车辆的怠速激振频率范围为23-53 Hz。 由上述计算可知外界激振频率范围为0-3.3 Hz、23-53 Hz。分析表5可知，两种网状加筋结构固有频率范围均避开外界激振频率范围，因此不会发生共振现象。
5 结论
（1）本对埋于地下的塑料检查井井壁进行受力分析，总结径向载荷和轴向载荷的计算式。
（2）利用ANSYS软件计算埋深5米的不同塑料检查井井壁加筋结构的最大应力值和最大变形量。结果表明：加筋有利于提高塑料检查井的强度和刚度，其中三角形网状加筋方案和方形网状加筋方案满足指标要求，且三角形网状加筋方案对检查井刚度和强度的提升最明显;在相同加筋密度下，网状加筋优于条状加筋，三角形肋板优于方形肋板。
（3）对三角形网状加筋结构和方形网状加筋结构进行6阶模态分析，结果表明：两种网状加筋结构的固有频率均避开外界激励频率范围，不会产生共振现象。
参考文献
[1] 冯汝广. 塑料检查井试验机的电液加载控制系统研究[D]. 昆明： 昆明理工大学， 2015.
[2] 唐福明， 陈新宇， 等. 塑料排水检查井使用常见问题探讨[J]. 给水排水， 2013， （1）： 96-98.
[3] 陈奕. 道路检查井的适用性分类[J]. 城市问题， 2013， （4）： 31-36.
[4] 魏春良. 塑料水工装置结构分析及改进设计研究[D]. 扬州： 扬州大学， 2013.
[5] 周扬， 周国庆. 塑料板夹层双层井壁的轴对称变形分析[J]. 煤炭学报， 2010， 35（9）： 1470-1475.
[6] 宋佳. 基于有限元的增强塑料埋地结构件关键技术研究[D]. 扬州： 扬州大学， 2015.
[7] 張伟， 魏若奇， 等. 塑料检查井结构完整性分析研究[J]. 塑料工业， 2015， （7）： 117-120.
[8] 张静毅. 大连市城市道路检查井变形机理与对策研究[D]. 大连： 大连海事大学， 2010.
[9] 陈吉平， 丁智平. 注塑件翘曲变形分析与成型工艺参数优化[J]. 工程塑料应用， 2013， （5）： 46-49.
[10] RA Alia， S Rao， et al. The Crushing Characteristics of Reinforced Nomex Honeycomb[J]. Journal of Reinforced Plasics and Composites， 2018， 37（20）： 1267-1276.
[11] 魏春良， 高建和， 等. 基于 ANSYS 的塑料检查井肋板设计高度的力学分析[J]. 特种结构， 2011， 28（6）： 112-114.
[12] 塑料排水检查井应用技术规程[S]. CJJ/T209-2013.
[13] 杨鸿翔. 异形柱框架抗震性能评价[D]. 成都： 西南交通大学， 2011.
关键词： 人塑料检查井;ANSYS;加筋结构;静力分析;模态分析
中图分类号： TU992 文献标识码： A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.06.033
本文著录格式：蒋佳骏，吴张永，王文菊，等. 基于ANSYS塑料检查井井壁加筋结构仿真分析[J]. 软件，2020，41（06）：158163
【Abstract】： When the plastic inspection well is buried in the ground， it will be affected by various loads. If the wall of the well does not have enough strength and rigidity， it will often lead to deformation， even fracture， which greatly reduces the working performance of the inspection well. In addition， if the inspection well is excited by the road vehicles， it is easy to cause fatigue damage if resonance occurs. In view of this， this paper puts forward six kinds of reinforcement schemes， analyzes the stress of the shaft wall structure with a depth of 5 m， makes static simulation of different reinforced structures with ANSYS software， and makes 6-order modal analysis of two kinds of mesh reinforced structures that meet the requirements of the index. The results show that the reinforcement scheme is beneficial to improve the strength and rigidity of the plastic inspection well wall， and the mesh reinforcement is better than the strip reinforcement under the same reinforcement density， and the triangular rib is better than the square rib， among which the triangular mesh reinforcement scheme is the most obvious to improve the rigidity and strength of the well wall; the natural frequencies of the triangular mesh reinforcement structure and the square mesh reinforcement structure are kept away from the outside Excitation frequency range.
【Key words】： Plastic inspection well; ANSYS; Reinforced structure; Static analysis; Modal analysis
0 引言
檢查井是设置在地下管道交叉处、转弯处、管径或坡度改变处等，便于定期检查、清洁和疏通地下管道的附属构筑物[1]。塑料检查井是一种新型检查井，相较于传统砖砌检查井，具有耐候性强、密封性好、便于清通、环保节能等优点，目前市场上已有较广泛的应用[2-3]。
塑料检查井在使用过程中受到多种载荷的作用，若无足够的强度和刚度，易出现变形、断裂等，严重影响检查井的性能，其失效形式如图1所示。
为改善塑料检查井结构的力学性能，满足使用要求和延长其使用寿命等[4]，国内一些学者对此进行了研究，如：周扬、周国庆等[5]对塑料板夹层双层井壁的轴对称变形进行分析，得到内外壁厚对井壁安全性的影响;宋佳等[6]对增强塑料埋地结构进行了有限元分析;张伟，魏若奇等[7]对塑料检查井结构完整性进行了分析研究。
本文在尽可能节约材料、降低成本的前提下，针对如何提高塑料检查井井壁的力学性能，提出加筋方案，探讨不同肋板形状和加筋形式对塑料检查井井壁力学性能的影响。
1 塑料检查井井壁受力分析 埋于地下的塑料检查井主要受到径向力、轴向力、剪切力等多种力的共同作用，不同类型的力对塑料检查井产生不同的影响。
1.1 塑料检查井井壁所受径向载荷的计算
埋于地下的塑料检查井，受到土壤的挤压和地下水造成的静液压产生径向载荷。径向载荷过大会使塑料检查井井壁发生环向应变，若应变值超过塑料材料的极限值，井壁会发生严重变形甚至断裂，严重影响塑料检查井的使用性能[8]。
2 加筋方案
2.1 塑料检查井加筋方案
为提升塑料检查井井壁的刚度和强度，加厚井壁是最直接、简单的方案。但直接加厚会消耗较多的原材料，导致检查井的自重增大，增加生产和安装成本。在塑料检查井的设计环节，为减轻井体的重量、提升产品经济效益，在确保刚度与强度达到设计要求的前提下，提出一种减小井壁厚度并采用加筋的方案[10]。
结构加筋按照形式可分为条状筋、网状筋、蜂巢状筋等，如图4所示。其中，条状筋加工工艺简单，成本较低，但提升井壁强度的能力有限。网状筋较条状筋能够更好的提升检查井结构的力学性能。蜂窝状筋的承受力较强，但模具的制造工艺 复杂，加工成本较高，本文不做考虑。本文对条状和网状加筋塑料检查井的应力应变情况进行对比 分析。
井壁加筋按照加筋位置可分为外壁加筋和内壁加筋。内壁加筋相较于外壁加筋，其埋入地下时所受载荷更加均匀，但内壁加筋的加工工艺较为复杂，并且会影响检查井内部的流场性能。此外，塑料检查井由于其重量轻、材料密度低等特点，在设计时需考虑抗浮措施。由式（3）可知，采用外壁加筋会增加井土间摩擦系数，使下拽力增大，能够提升 塑料检查井的抗浮性能，因此，本文采用外壁加筋方案。
2.2 肋板尺寸设计
肋板形状和尺寸对于加筋后的力学性能有较大影响，本文提供方形肋板和三角形肋板两种方案，并适当加厚井底。方形肋板主要尺寸如图5所示，取L=A=t。
相对于方形肋板，三角形肋板的尺寸更小，在性能相似的情况下，更加节省材料。三角形肋板主要尺寸如图6所示。
其中，t为检查井壁厚度;L为肋板高度，取L=（1～3）t;A为肋板宽度，取A=（0.25～1）t;R为肋根圆角，取（0.125～0.25）t;α为收缩角;r为顶部圆角，取r=0.125t[11]。跟据计算得到肋板尺寸如表1所示。
3 塑料检查井静态分析
3.1 塑料检查井材料参数设置
按照材料的力学性能在ANSYS中设置材料参数。本文研究的塑料检查井采用高密度聚乙烯（HDPE）材料，采用模挤热压工艺，其力学参数如表2所示。
3.2 塑料检查井有限元模型
跟据本文研究的某规格塑料检查井建立的有限元模型如图7所示。
网格采用实体六面体单元，网格划分质量检查结果为0.25～1，平均值>0.7。
3.3 约束载荷施加
塑料检查井由承压盖板固定，因此，将检查井与承压圈连接部分的节点设置固定约束。
表3为某规格塑料检查井尺寸参数。跟据受力分析可知，检查井径向载荷可跟据式（1）、式（2）计算，轴向载荷可跟据式（3）～式（5）算。
3.4 计算结果与分析
求解得到某规格塑料檢查井未加筋时的位移和应力云图如图8所示。由位移云图可知，检查井的变形最大位置位于井底中心，变形量为0.60 mm，变形率为5.0%。由应力云图可知，检查井应力最大位置位于井底与侧壁连接处，最大应力值为17.67 MPa。
求解得到某规格塑料检查井加网状筋的位移云图和应力云图如图9所示。由位移云图可知，检查井的变形最大位置位于井底中心，变形量为0.43 mm，变形率为1.8%。由应力云图可知，检查井应力最大位置位于井底与侧壁连接处，最大应力值为2.75 MPa。
同理将其他加筋形式计算结果整理后，绘制表格如表4所示。
由HDPE的材料参数和《塑料排水检查井应 用技术规程》[12]可知评价指标：许用应力值为 24.2 MPa，变形率≤2%。
结果分析如下：
（1）在侧壁未加筋、底部未加厚的情况下，检查井的最大应力值为17.67 MPa接近材料的许用应力值，且变形率超出了指标要求。
（2）加筋方案有利于提高塑料检查井的强度和刚度，且在相同加筋密度下，网状加筋优于条状加筋，三角形肋板优于方形肋板。
（3）三角形网状加筋方案和方形网状加筋方案满足指标要求。其中，三角形网状加筋方案的最大应力值为2.75 MPa，相较于方形网状加筋降低了5.95 MPa，远小于HDPE材料的许用应力，且三 角形网状加筋方案的最大变形率也更小，表明三角形网状加筋方案对检查井强度和刚度的提升效果 最佳。
4 网状加筋结构模态分析
路面行驶的车辆会对检查井产生动载荷，此外停在井盖上方的车辆在怠速时，会对检查井造成动态激振。为降低因振动导致的检查井结构疲劳破坏，进一步提升产品的使用寿命，对两种网状加筋形式的塑料检查井结构进行6阶模态分析。
4.1 模态分析计算结果显示
材料参数设置和约束载荷施加与3.1、3.2、3.3所述一致。求解后将计算结果整理绘制表5。
目前，国内小汽车多采用4缸四冲程汽油发动机，重型货车、自卸车、工程车辆等多采用6缸或8缸的四冲程柴油发动机。汽油发动机怠速转速在700-900 r/min，柴油发动机怠速转速在500-800 r/min。跟据式（8）可计算出车辆的怠速激振频率范围为23-53 Hz。 由上述计算可知外界激振频率范围为0-3.3 Hz、23-53 Hz。分析表5可知，两种网状加筋结构固有频率范围均避开外界激振频率范围，因此不会发生共振现象。
5 结论
（1）本对埋于地下的塑料检查井井壁进行受力分析，总结径向载荷和轴向载荷的计算式。
（2）利用ANSYS软件计算埋深5米的不同塑料检查井井壁加筋结构的最大应力值和最大变形量。结果表明：加筋有利于提高塑料检查井的强度和刚度，其中三角形网状加筋方案和方形网状加筋方案满足指标要求，且三角形网状加筋方案对检查井刚度和强度的提升最明显;在相同加筋密度下，网状加筋优于条状加筋，三角形肋板优于方形肋板。
（3）对三角形网状加筋结构和方形网状加筋结构进行6阶模态分析，结果表明：两种网状加筋结构的固有频率均避开外界激励频率范围，不会产生共振现象。
参考文献
[1] 冯汝广. 塑料检查井试验机的电液加载控制系统研究[D]. 昆明： 昆明理工大学， 2015.
[2] 唐福明， 陈新宇， 等. 塑料排水检查井使用常见问题探讨[J]. 给水排水， 2013， （1）： 96-98.
[3] 陈奕. 道路检查井的适用性分类[J]. 城市问题， 2013， （4）： 31-36.
[4] 魏春良. 塑料水工装置结构分析及改进设计研究[D]. 扬州： 扬州大学， 2013.
[5] 周扬， 周国庆. 塑料板夹层双层井壁的轴对称变形分析[J]. 煤炭学报， 2010， 35（9）： 1470-1475.
[6] 宋佳. 基于有限元的增强塑料埋地结构件关键技术研究[D]. 扬州： 扬州大学， 2015.
[7] 張伟， 魏若奇， 等. 塑料检查井结构完整性分析研究[J]. 塑料工业， 2015， （7）： 117-120.
[8] 张静毅. 大连市城市道路检查井变形机理与对策研究[D]. 大连： 大连海事大学， 2010.
[9] 陈吉平， 丁智平. 注塑件翘曲变形分析与成型工艺参数优化[J]. 工程塑料应用， 2013， （5）： 46-49.
[10] RA Alia， S Rao， et al. The Crushing Characteristics of Reinforced Nomex Honeycomb[J]. Journal of Reinforced Plasics and Composites， 2018， 37（20）： 1267-1276.
[11] 魏春良， 高建和， 等. 基于 ANSYS 的塑料检查井肋板设计高度的力学分析[J]. 特种结构， 2011， 28（6）： 112-114.
[12] 塑料排水检查井应用技术规程[S]. CJJ/T209-2013.
[13] 杨鸿翔. 异形柱框架抗震性能评价[D]. 成都： 西南交通大学， 2011.