一體化預制泵站的發展時間較短,但已經被廣泛應用于各種工程中,解決了在城鎮排水中出現的問題。一體化預制泵站以強大的流體提升和輸送能力,在城市水循環系統和正在興起的海綿城市工程中得到了廣泛的應用。目前,國內對于該設備的設計及試驗尚無相關的國家標準,對于質檢行業尚無相關檢測規范和標準。基于國家經濟社會發展大局和上海加快推進五個中心建設,以貼近政府監管、貼近產業政策和貼近國計民生為服務宗旨,以新的質檢基地建設為契機,不斷提升經濟發展支撐能力和產品質量安全保障能力為落腳點,這一研究課題具有重大的實際意義。

筆者首先對一體化預制泵站的研究背景進行闡述,然后在理論分析基礎上,通過 Solidworks 軟件進行三維建模,再基于 ANSYS軟件對該泵站筒體進行仿真分析,最后提出一種剛度仿真分析的方法,研究結論不僅為一體化預制泵站的優化設計及穩定運行提供參照,還可以為一體化預制泵站的筒體檢測提供重要的理論依據。

相關研究

近年來,有許多科研人員和學者對一體化預制泵站的應用和結構進行了探索。尤鑫"通過研究總結了體化預制泵站的優勢,改善了傳統污水泵站施工周期長、工作環境差、重復利用性差、建設成本高等缺點。候宏林9結合泵站引、排、灌的一體化建設,指出泵站的一體化設計施工能夠合理地減少占地、優化泵站建設方案、縮短建設周期及節約泵站的投資成本。孟凡有中等從筒體有效容積及其內部揚程損失、抗浮設計及校驗、基礎螺栓選用以及筒體結構強度等方面,詳細介紹了一體化預制泵站的選型設計及施工注意事項。張建立"結合一體化預制泵站的機構和運行特點,設計了一套包含一體化泵站在內的通道積水自動排除系統,從而解決了低路堤設計所帶來的下挖通道排水問題。徐雁翔總結了在泵站設計中應用有限元分析，可以彌補傳統理論公式的不足,同時結合生產實際,給出了合適的剛性環寬高比。王默從不同水泵安裝位置、泵坑形狀、導水錐幾何尺寸三個方面分析了一體化泵站幾何參數對水力性能的影響。

結構

一體化預制泵站主要由玻璃鋼筒體、污水污物排水泵組、閥門、管道、提升裝置、格柵、控制系統、檢修平臺、通風系統等組成,格柵一般有粉碎格柵或提籃格柵。目前,一體化預制泵站剛度分析的研究存在以下問題。一方面是泵站太大,實際試驗難度高,局部的剛度試驗不具有實際參考性價值,同時泵站的剛度試驗不僅是破環性試驗,試驗成本大。另一方面,國內暫無與之對應的設計規范和產品標準,同時企業在實際設計生產中,往往因沒有統一設計規范,忽略了簡體剛度測試的重要性。對此,筆者以上海某給排水設備公司提供的 YOP12-34-D-G一體化預制泵站為例,建立筒體直徑為1200 mm,高為3 400 mm 的一體化預制泵站模型,對其進行理論分析、有限元分析,校核其剛度,并提出一種剛度仿真分析的方法。一體化預制泵站結構如圖1所示。

理論分析

一體化預制泵站的應力由筒底至筒頂逐漸減小，其應變則逐漸增大。隨著工作水位和安裝高度的上升,簡體最大應力下降。隨著安裝高度的上升,簡體最大應變減小!。一體化預制泵站的主要原材料為玻璃鋼,因此一體化預制泵站的剛度分析主要是針對玻璃鋼筒體的剛度分析。玻璃鋼材料參數見表1。筆者以粉質黏土進行土壓力的計算。

建模

計算機輔助工程應用計算機輔助求解復雜工程和產品結構強度、剛度、屈曲穩定性、動力響應、熱傳導三維多體接觸、彈塑性等力學性能,進行結構性能的優化設計,是一種近似數值分析方法。計算機輔助工程軟件應用至今已有50多年的發展史,不僅理論技術成熟,而且應用技術廣泛,現已成為工程和產品結構分析必不可缺的數值計算工具,并且也是有限元分析力學各類問題的一種手段。

對一體化預制泵站進行實測后,使用SolidWorks三維軟件對實物泵站進行建模,三維模型如圖2所示有限元分析模型如圖3所示。對結構部件進行自適應網格劃分,網格劃分結果如圖4所示。

應力分析

靜應力的分析需對物體施加約束和載荷,根據一體化預制泵站實際固定方式,對底座約束部位添加固定約束,如圖5所示。

根據一體化預制泵站的實際受力情況,規定豎直向下為重力加速度方向,即-%方向,在筒體和底座的外壁施加載荷。

將沙土看作具有流動性,沙土對筒體外部的壓力P 與預埋深度h 有關,為:

P,=p₁g₁h,

式中：ρ１ 為沙土密度，取 １ ９００ ｋｇ ／ ｍ ３ 。 沙土對筒體壁面和底座底面施加載荷，筒體荷載 后的應力分布云圖如圖 ６ 所示。 由圖 ６ 可見，筒體外 壁面受力自上而下逐漸增大，筒體外壁面接近底座處 受到的應力最大，為 ０． ０５８ ０１５ ＭＰａ。 筒體內部有水時，筒體內部受到的壓力Ｐ２與水的深度 ｈ２ 有關，為： Ｐ２ ＝ ρ２ ｇｈ２ （２） 式中：ρ２ 為水的密度，取 １ ０００ ｋｇ ／ ｍ ３ 。 筒體加水至啟泵液位，高度為 ３ ４００ ｍｍ，水對筒 體壁面和底面施加載荷，筒體壁面荷載后的應力分布 云圖如圖 ７ 所示。 由圖 ７ 可見，筒體壁面受力自上而 下逐步增大，筒體壁面接近底座處受到的應力最大，為 ０． ０３０ ０２３ ＭＰａ7

剛度分析

剛度指材料或結構在受力時抵抗彈性變形的能力,是材料或結構彈性變形難易程度的表征。材料的剛度通常用彈性模量來衡量。在宏觀彈性范圍內，剛度是零件荷載與位移成正比的比例系數,即引起單位位移所需的力。剛度的倒數稱為柔度，即單位力引起的位移。剛度可分為靜剛度和動剛度。通常采用材料在一定受力下的變形量大小來校核材料的剛度是否滿足要求。簡體在不同條件下的變形云圖如圖8所示當筒體內部為空筒時,簡體最大變形量為3.8733mm。當筒體內部為水時,簡體最大變形量為5.8658mm。

筒體的最大變形量與簡體尺寸相比極小,即筒體剛度滿足要求。

第二強度理論認為材料破壞的主因是最大伸長應變,當達到拉伸極限時材料會出現斷裂。簡體外部為沙,內部為水時的等效應變云圖如圖9所示,最大等效應變出現在進口管道和底座附近區域,最大等效應變值為0.0050089.與筒體相比變化極小，不會出現斷裂的危險。

簡體外部為沙,內部為空筒時的等效應變云圖如圖10所示,最大等效應變出現在進口管道和底座附件區域,其值為0.003 3151,與簡體相比變化極小,不會出現斷裂的危險。

結束語

筆者通過理論計算,得到一體化預制泵站玻璃鋼簡體的最大主動壓力小于玻璃鋼材料許用應力,符合剛度要求。基于一體化預制泵站三維模型,通過有限元分析,并剛度校核,一體化預制泵站筒體的最大變形量為5.865 8 mm,最大等效應變為 0.005 008 9.與筒體尺寸相比極小,簡體剛度合格。企業可以在不同的筒體厚度和材料下,通過有限元分析進行剛度仿真,獲得最大許用應力,通過與材料許用應力比較,獲得一個參考值,進而反推出筒體厚度的合適值。