摘　要：分析了大口徑玻璃鋼管內嵌結構的常用設計方法，在此基礎上進行了玻璃鋼管內嵌結構的改進設計，并借助Inventor軟件進行了三維實體建模比較和有限元應力分析，驗證了改進后的內嵌結構性能得到了部分優化，并制作了結構實物模型投入實際應用。

關鍵詞：玻璃鋼管；內嵌結構；有限元；應力分析

1　引　言

　　在采用玻璃鋼管作為結構件時，通常需要將其與外界預留一定的接口。采用大口徑玻璃鋼管作為母材時，接口的設計通常保留在管內。定義在管內側預留接口的結構為內嵌結構。當玻璃鋼管內徑較大時，采用常規的設計方法，其內嵌結構一般質量較重，其與玻璃鋼管內壁的膠接強度也難以保證。
　　以內徑φ125mm，壁厚5mm的玻璃鋼管內嵌結構設計為例，分析常規的內嵌結構設計方法，在此基礎上進行一定的改進，并對其膠接玻璃鋼管后的整體進行有限元受力分析，比較不同內嵌結構的各方面性能，從而優化其設計。

2　設計原理

　　假定玻璃鋼管對外的接口為一定規格的螺紋孔，常規的內嵌結構設計思路主要有兩種。一種是玻璃鋼管內壁直接與金屬連接膠接，整個內嵌結構為金屬材料，螺紋孔位于結構中心，其結構示意如圖1(a)。這種結構的缺點是當玻璃鋼管外徑較大時，內嵌結構的重量大，其與玻璃鋼管內壁膠接工藝難度較大。
　　另一種則是在玻璃鋼管和金屬連接之間加上非金屬過渡層，即中心為帶有螺紋孔的金屬薄壁結構，過渡層分別與中心金屬結構和玻璃鋼管內壁膠接，其結構示意見圖1(b)。該結構的缺陷是，玻璃鋼材料的自身特性與其它非金屬材料膠接的工藝難度大，而且膠接處使用壽命短。而非金屬過渡層也采用玻璃鋼材料時，由于其厚度較大，玻璃鋼材料的各向異性和膨脹特性使得過渡層容易發生不穩定或者變形。

　　基于以上設計思路，將內嵌連接設計成“真空”的套管結構，由上、下底板和內、外套管焊接而成，內套管中間配鉆螺紋孔，具體結構示意見圖2。在與玻璃鋼管膠接的外套管外壁留有4條預留槽，用來作為與玻璃鋼管內壁膠接時的接口，起增大膠接面積、提高膠接強度的作用。這樣，既減輕了內嵌結構的重量，又保證了其自身強度以及其與玻璃鋼管內壁的膠接強度。

3　結構分析

　　假定玻璃鋼管具體參數：長為0.2m，內徑4～125mm，壁厚5mm，內嵌結構對外接口均為M48的螺紋孔。結合玻璃鋼管具體結構參數，分別依據上節設計思路進行三種不同的內嵌結構設計，進而進行比較分析。
3.1　建模比較
　　Inventor軟件是美國Autodesk公司推出的三維參數化實體模擬軟件，除實體零件、裝配模擬、設計評估等功能之外，還具有強大的應力分析和運動仿真模塊，可靠性好、兼容性強，使用方便、快捷 。
　　設計的內嵌結構高度均為100mm，外形規格基本保持一致。先確定模型參數，然后借助Inventor軟件中進行建模，由于模型均為對稱結構，故其實體模型均采用半剖視圖表示，具體見圖3。

　　全金屬材料的內嵌結構：外徑為φ125mm，中心為M48的螺紋通孔。其三維實體模型見圖3(a)。
　　含過渡層的內嵌結構：中間為金屬材料結構，外徑4~60mm，中心為M48的螺紋通孔，外層為非金屬材料的過渡層，外徑φ25mm，內徑φ60mm，其三維實體模型如圖3(b)所示。
　　改進設計后的內嵌結構：上頂板外徑φ135mm，厚5mm，下底板外φ125mm，厚3mm，外套管壁厚5mm，預留槽深2mm，寬5mm，內套管外徑φ60mm，加工時采用角焊縫滿焊。其三維實體模型如圖3(c)所示。
　　為簡化模型結構分析，金屬材料均選擇為奧氏體不銹鋼，密度為8.03g／cm³；非金屬材料選擇為環氧樹脂基玻璃鋼材料，密度為1.80g／cm³。通過參數計算，得到它們的質量見表1。
　　由表1可知，改進設計后的內嵌結構重量較含過渡層的內嵌結構略重，但較全金屬材料的內嵌結構輕很多，同時有效地節約了材料。

3.2　應力分析
　　以螺紋孔作為外接接口，簡單建立外部金屬連接作為載荷加載位置。借助Inventor中的應力分析模塊，對三種不同的內嵌結構進行應力分析。分析時將玻璃鋼管和金屬外接都引入模型，建立一個有機整體，可以更好的考察內嵌結構在整體結構中的使用效果。整體結構單元類型選擇3-D實體Solid92單元模型，分析類型為靜態模型受力，網格平均元素大小為0.1，對其進行網格劃分見圖4。

　　定義材料特性。選擇的奧氏體不銹鋼材料，材料為各向同性，其特性為：彈性模量E=190.3GPa，泊松比μ=0.30；選擇的環氧樹脂基玻璃鋼材料，材料為各向異性，但本分析主要關注其剪切方向上應力及變形，故選擇其特性為：彈性模量E=45GPa，泊松比μ=0.26。
　　定義對含內嵌結構的玻璃鋼管端部施加固定約束，向簡化外接的側平面加載側向正壓力載荷，大小為5MPa。選擇接觸類型為自動接觸，分別對三種結構進行應力分析。為方便觀察內嵌結構應力分布，故隱藏金屬外接部分，得到不同內嵌結構的應力云圖如圖5所示。

　　全金屬內嵌結構的應力分布云圖見圖5(a)。應力大出現在金屬內嵌結構與玻璃鋼管內壁的膠接位置，為21.89MPa。大變形出現在螺紋孔與外接連接處，為0.00348mm。
　　含過渡層的內嵌結構應力分布云圖見圖5(b)。應力大出現在非金屬過渡層和帶螺紋孔的金屬結構膠接位置，為28.48MPa。大變形亦出現在該位置，為0.00663mm。
　　優化設計后的內嵌結構應力分布云圖見圖5(c)。應力大出現在內嵌結構上頂板位于內、外套管之間的區域，為29.57MPa。大變形出現在中心的螺紋孔處，為0.00349mm。
　　由圖5可知，常規思路設計的內嵌結構應力集中均處于不同材料結構件的膠接處，這樣加大了本來就較困難的工藝環節難度。作出改進后的內嵌結構，其大應力較常規設計的內嵌結構略大，但其應力集中的區域較小，基本處于金屬結構體上，因此其應力引起的變形也較小。同時，其與玻璃鋼管內壁的槽型接口減小了膠接工藝難度。

4　結　語

　　由上節的對比分析可知，改進后的“真空”套管式內嵌結構是對常規內嵌結構設計的一種優化，在節約材料、保持適當重量的同時，其應力分布情況也得到了改善。在大應力略有增加的情況下，將應力集中到了強度較大的金屬結構件上，使應力造成的變形較??；同時，較常規內嵌結構應力集中于膠接處相比，加之其外壁膠接槽型接口的預留，使其膠接的工藝難度大大減小。
　　按照上述的設計參數，制作了內嵌結構實物結構，其外形見圖6。實物結構經過拉力試驗，施加側向正拉力1500N，其外觀無明顯變形。通過檢測，其質量為2.9kg，與建模分析的結果基本一致。隨后將此結構件投入了實際工程應用，使用效果良好。