摘要：污泥沉積池罩是污泥沉積池的重要部件。由于其跨度大，長期處于酸性環境中，對材料的強度和防腐性能要求較高，玻璃鋼是為理想的選材。本文根據污泥沉積池罩的受力和安裝要求，利用大型通用有限元工程設計軟件ANSYS對污泥沉積池罩的外形、結構和重量進行了優化設計，終設計出重量僅為11. 2t，直徑34m的玻璃鋼污泥沉積池罩。
    關鍵詞：復合材料；優化設計；輔助設計；力學性能
    中圖分類號：TQ327. 1；X703. 3文獻標識碼：A文章編號：1003 - 0999 ( 2005 ) 02 - 0029 - 04

1  前言
    隨著現代化都市的不斷擴容，城市水資源缺乏日益嚴重，污水處理再利用是水資源循環使用的重要途徑。污泥沉積池是凈化系統的重要組成部分，為了降低污泥沉積池釋放的臭氣、毒氣對外界的污染，需要在污泥沉積池上安裝污泥沉積池罩。污泥沉積池有圓形、方形等多種類型，而以圓形為常見，其直徑一般為20 --40m。由于污泥沉積池罩跨度大，強度剛度要求高，傳統的罩子大多采用鋼骨架，配裝鐵皮、帆布和其它輔材。這樣的結構和功能實際上是由不同材料分別承擔，不是一個有機的整體，而且由于長期處于酸性氣氛和30--40℃暴曬的環境中，一般要求骨架材料為不銹鋼，遮蔽物為防腐材料，因此傳統罩子的制造難度和成本都相對較高。采用玻璃鋼制造污泥沉積池罩，將充分利用玻璃鋼結構和功能相統一的性能來提高材料利用率，減輕產品重量，改善結構性能，降低產品制造成本^〔1〕。本文根據污泥沉積池罩的實際受力和安裝要求，利用有限元工程軟件ANSYS對產品進行了設計計算，總結出影響污泥沉積池罩結構的關鍵控制因素；對污泥沉積池罩的外形、結構和重量進行了優化設計，終設計出結構滿足使用要求，外形美觀的玻璃鋼污泥沉積池罩。
2   有限元模型的建立及求解
2.1基本結構設計
    產品概念性構想是復合材料產品外形和結構設計的重要環節，本文針對產品技術要求構建了玻璃鋼污泥沉積池罩的雛形，如圖1所示。設計的污泥沉積池罩直徑34m，單瓣跨度巧m，一端固定在半徑為2m的電機圓柱形桶壁上，為了不影響電機的轉動和維修橋的架設，以及方便電機部分的維護和保養，安裝點高度設計為2m，另一端固定在以污泥沉積池中心為圓心，半徑為17m的圓形鋼筋混凝土結構的地基上。此結構為大跨度的薄壁結構，參照大型玻璃鋼屋蓋和育頂的設計原理，選擇了波形斷面桶拱結構川。它具有剛度高、抗彎性和穩定性好的特點。為便于運輸和吊裝，污泥沉積池罩采用了對稱分瓣組合形式，由36瓣組成，每瓣的大圓弧小于3m；為了提高整體剛度還采用了殼體翻邊連接方式，在殼體上自然形成一圈T型筋，每瓣之間、上下端與固定支之間均采用法蘭聯接，螺栓固定，所以整個罩體基本上是帶加強筋的回轉殼體結構(2)。罩體組裝后無倒灌水和駐水現象。罩以玻璃鋼為主體材料，輔以聚氨醋泡沫及其它材料復合制造而成。玻璃鋼污泥沉積池罩主要受到冬季雪載和自重的影響。在上述載荷共同作用下，材料許用應力必須具有足夠的安全系數，為各種因素的影響提供一定的強度儲備，剛度要求大變形撓度小于l0mm.

2.2有限元模型的建立、約束條件和載荷施加
    污泥沉積池罩尺寸滿足h/Rm;.（h為厚板，R為中曲面的曲率半徑）比值小于20[31，以手糊鋪層方式成型，所以罩的主體選用了具有6個自由度，適于非線性大應變分析的she 1191殼單元，并采用四邊

結構改良的備選方案，不參與優化設計，終的有限元模型如圖2所示

 根據第2.1節對玻璃鋼污泥沉積池罩的分析，罩的內外端面施加固定支，即約束全部自由度，由于采用了循環對稱分析算法，無需施加對稱邊界約束條件。加自重載荷時，考慮在ANSYS分析中忽略螺栓等附加重量，模型重量相比實際自重偏低的問題，對玻璃鋼的密度進行了修正，附加載荷系數設為1．05。整個污泥沉積池罩需要大約2300個螺栓固定，重量大約在700一800純，整個玻璃鋼罩的凈重約12t0由于手糊玻璃鋼制品厚度離散較大，通常有超厚現象，設超載系數1 ．2^〔2〕，所以計算時玻璃鋼密度終被修正為2. 268 x 103 Kg?m^-3。根據產品安裝地區（華北某地）10a高降雪厚度為190mm的氣象信息，全年積雪超載系數按1 ．2對積雪總重加權，由于罩體表面很難用函數來定義確定，因此本文借助于SURF154表面單元在異形面上完成了雪載的施加。

2.3有限元求解
    為了能調用自動循環對稱算法，選擇在ANSYS多物理場下進行分析求解。作為循環對稱分析的循環部件必須具有類似于扇區的結構形式，轉動的角度應能被360度整除，污泥沉積池罩單瓣掃過的角度為10度，整除數為36滿足要求。在循環對稱分析中系統先對單個的循環對稱單元進行求解，然后再利用這個計算結果構建出整個循環對稱系統對此做出的響應行為，利用此算法能在相對較小的計算開支內求得整個系統的受力狀態。
    優化設計模塊是ANSYS多物理場程序的一個重要模塊。優設計方案旨在滿足所有設計要求的條件下所需的支出（如重量、面積、體積、應力、費用等）小。優化設計的基本原理是通過構建優化模型，運用各種優化方法，通過在滿足設計要求的條件下的計算，求得目標函數的極值，得到優設計方案。其過程是一系列的分析、評估及修正的循環過程，即對于初始設計進行分析，對分析結果及設計要求進行評估，然后修正設計^[4]。
    由于玻璃鋼污泥沉積池罩沒有現成的原形，設計的控制因素很多，對變量的迭代控制很難實現。因此根據產品要求，先設計了玻璃鋼污泥沉積池罩的雛形，對其進行了基本受力分析，發現存在的問題，歸納總結影響結構的重要控制因素，在此基礎上再進行模型的修改和優化。在優化分析階段，將壁厚作為設計變量，SEQV應力作為狀態變量，其控制范圍為應力小于13 MPa；把總重作為目標函數，選擇一階作為優化方法，大迭代次數40次，收斂計算結束后查看結果。為了提高產品的剛度，將大撓度值降到l omm以下。參照受力情況，在優化設計的基礎上，對模型變形較大的區域進行了加筋改良處理，同時通過改變鋪層角度等方式提高產品強度。由于罩子為大跨度的薄殼結構，穩定問題是必須考慮的，因此本文還對終的產品結構進行了屈曲特征值校核分析^[1,4]。
3 結果分析
    初結構設計的有限元分析結果如圖3所示，撓度 33 mm、應力30MPa，相比技術要求偏高。進一步分析發現，玻璃鋼罩與電機圓柱形鋼壁連接點的高度，拱的形狀和大小，以及波形和波形變化是影響結構的主要控制因素，而且撓度的敏感區域主要集中在中間部位，應力的敏感區域主要集中在兩端固定支附近。因此，修改設計模型后如圖2如示。然后在不同鋪層方式下對此結構進行了計算，發現[-45/0/45/90]s。方式明顯優于（0/90），方式，撓度減小了27%，SEQV應力減小了29.5%，因此將[-45/0/45/90]s作為進一步設計的鋪層方式。

在優化階段，求解收斂于第11次迭代，厚度4．lmm、總重10. 2269t為系統分析的佳結果。從圖4,表1分析可知SEQV應力隨總重的增加而遞減，在10. 2269t時應力次降到了13MPa以下，隨后出現過一段平臺，再后的變化非常小，因此可以確認優化正確。
    從優化結果數據中提取節點的大撓度值進行分析發現，大撓度總大于13 mm，隨厚度變化不是很明顯，考慮采用加筋的方法來提高罩的整體剛度。加筋的部位按照撓度分布情況排布，如圖5所示，距中心4m，長9m。筋截面形狀為矩形，高80rnm，寬l00mm，其計算結果如圖6所示，大撓度9. 598mm小于設計要求l omm。以安全系數8計算(21，應力SEQV大值8. 913MPa小于許用應力21 MPao經屈曲分析，此結構的穩定系數為11.545，大變形量小于lmm，各項指標均滿足設計要求。罩的總重量為11．1961t，遠小于鋼結構30多噸的重量，達到了以玻璃鋼污泥沉積池罩替代鋼結構污泥沉積池罩的設計目的。

4    結語
    利用有限元分析軟件ANSYS對復合材料產品進行輔助設計，有助于設計人員在較短時間內了解、把握問題的實質，及時提出解決問題的方法，縮短研發周期，降低研制風險，提高產品試制的成功率。與傳統的設計方法相比，計算機輔助設計有較高的設計質量，特別是在結構優化和減重方面尤為突出。本文在ANSYS軟件平臺上，對大型建筑體一玻璃鋼污泥沉積池罩進行了設計開發，完成了外形設計，材料設計和結構優化設計等多項內容，并在優厚度4. 1 mm下通過加筋方式進一步提高了產品的整體剛度，終設計出滿足使用要求，總重僅為11 ．2t，直徑34m的玻璃鋼污泥沉積池罩，加強筋的優化還有待進一步研究。

                    參考文獻
1〕沃丁柱．復合材料大全[M]．北京：化工工業出版社．1998.
2〕劉雄亞，晏石林．復合材料制品設計及應用(M〕．北京：化工工業出版社．2003．
3〕哈爾濱建筑工程學院．玻璃鋼結構分析與設計(M〕．北京：建筑工業出版社．1981．
4) 張勝民．基于有限元軟件ANSYS 7. 0的結構分析(M)．北京清華大學出版社，2003.

          OYI7MUM STRUCTURE DESIGN FOR LARGE FRP COVER OF
                                        SLUDGE AGGRADATION TANK
                            ZHANG shi-guang，MENG Yi-jie
            （1 ．Jinchuan Group Co. Ltd. Jinchang of Gansu Prov. 737103，China：2. Beijing FRP
                        Research＆Design Institute，Beijing 102101，China）
    Abstract：The cover is an important component of the sludge aggradation tank. On account of the large span
and chronical acid circumstance for the cover，FRP is satisfied as the best ideal material because of its high strength
and corrosion resistance. On the basis of the result of the basic mechanical analysis and fixing requirement，the
large-scale finite element analysis（FEA）software ANSYS is adopted to design and optimize the shell，structure
and weight of the cover. The optimal total weight is only 11．2 tons for the cover with the diameter of 34m according
to the analysis result.
    Key words：FRP；optimum design; aided design；mechanical properties