1、年月机电工程技术第卷第期 收 稿 日 期：黄 嘉 骏，刘 向 东，周 市 林，等基 于 的 组 合 式 高 密 度 聚 乙 烯 渠 道 强 度 仿 真 分 析 机 电 工 程 技 术，（）：基于 的组合式高密度聚乙烯渠道强度仿真分析黄 嘉 骏，刘 向 东，周 市 林，崔鹏（佳 木 斯 大 学 机 械 工 程 系，黑 龙 江 佳 木 斯）摘 要：作 为 农 田 水 利 运 输 时 重 要 的 部 件，渠 道 的 强 度 达 标 是 渠 道 正 常 工 作 的 最 重 要 标 准。通 过 高 密 度 聚 乙 烯（）力 学 性 能 试验 测 试 了 材 料 的 基 本 力 学 性 能，完 成 基 于
2、 的 组 合 式渠 道 强 度 仿 真，并 进 行 了 强 度 对 比 分 析 渠 道 安 全 可 行性。首 先 通 过 力 学 试 验 得 出 使 用材 料 的 基 本 力 学 性 能，然 后 运 用 三 维 设 计 软 件 构 造 组 合 式 单 个 渠 道 三 维 实 体 模 型并 导 入 软 件 中，设 计 渠 道 网 格 划 分 和 边 界 条 件 及 载 荷 约 束 后 进 行 仿 真 分 析 计 算，得 到 单 个 渠 道 预 制 构 件 应 力 大 小分 布 情 况，导 出 渠 道 等 效 应 力 和 最 大 应 力 云 图，定 位 单 个 渠 道 构 件 最 易 破 坏 位
3、置，将 仿 真 结 果 与 实 测 强 度 进 行 对 比 分 析，得 出 分 析结 果，验 证 结 构 受 力 分 析 的 正 确 性。关 键 词：聚 乙 烯；渠 道；强 度 分 析；仿 真中 图 分 类 号：文 献 标 志 码：文 章 编 号：（），（，）：，（），：；引 言农 业 经 济 紧 紧 地 联 系 着 国 家 经 济 发 展，是 国 民 经 济发 展 的 基 础。年 中 共 中 央 国 务 院 关 于 实 施 乡 村 振兴 战 略 的 意 见 指 出：“实 施 国 家 农 业 节 水 行 动，加 快灌 区 续 建 配 套 与 现 代 化 改 造，推 进 小 型 农 田 水 利
4、设 施 达标 提 质，建 设 一 批 重 大 高 效 节 水 灌 溉 工 程”。农 业 运 输 渠 道 是 农 田 水 利 工 程 中 的 一 种 主 要 的 水 利运 输 设 备，当 前 水 渠 系 列 的 最 好 选 择 是 组 合 式 渠 道，由多 个 单 一 渠 道 构 件 组 合 形 成。渠 道 构 件 是 整 体 渠 道 里 最重 要 的 部 件。以 往 在 农 田 灌 排 渠 道 的 设 计 与 安 装 过 程 中，考 虑 到 水 利 渠 道 的 跨 度 较 长，偏 远 地 区 渠 道 通 常 完 全 暴露 在 室 外，直 面 不 同 气 候 灾 害，因 此 在 设 计 施 工
5、过 程 中，需 要 选 用 最 合 适 的 材 料，以 延 长 水 利 渠 道 的 使 用 寿 命 和提 高 渠 道 运 输 的 安 全 性。但 实 际 上，考 虑 到 设 计 成 本 因素，材 料 选 择 相 对 传 统，如 普 通 农 田 泥 土 组 成 结 构、传统 石 砌 组 成 渠 道 和 普 通 混 凝 土 结 构 等。此 类 材 料 虽 然成 本 极 低，但 极 易 损 耗，比 如 混 凝 土 结 构 在 温 差 变 化 较大 的 环 境 中 很 容 易 产 生 结 构 裂 缝，进 而 出 现 大 面 积 渠 道结 构 的 破 坏，导 致 出 现 水 利 渠 道 渗 水 的 情
6、况，降 低 水 利用 率。与 传 统 渠 道 不 同，组 合 式 高 密 度 聚 乙 烯（）渠 道 采 用 单 个 构 件 相 互 连 接，施 工 简 单，可 现 场 直 接 机械 化 施 工。渠 道 常 态 下 熔 融 温 度 较 低，在 生 产、建 造、维 修 过 程 时 能 耗 较 低，生 产 成 本 也 比 较 低。同 时，是 热 塑 性 材 料，通 常 采 用 焊 接、吸 塑、挤 出 方 法成 型，曲 面 加 工 工 艺 简 便，对 环 境 污 染 小。能 够 满 足水 利 设 施 较 高 的 现 代 化 要 求。要 让 组 合 渠 道 正 常 工 作，首 先 其 结 构 必 须 达
7、 到 工 作中 最 大 的 强 度，渠 道 强 度 达 标 对 渠 道 正 常 工 作 具 有 重 要意 义。本 文 通 过 试 验 测 试 材 料 高 密 度 聚 乙 烯（）的 力 学 性 能，利 用 仿 真 分 析 软 件 对 其强 度 进 行 有 限 元 分 析，对 比 试 验 测 试 的 高 密 度 聚 乙 烯（）的 力 学 性 能，进 行 渠 道 结 构 各 个 部 分 的 强 度校 核。材 料力 学 性 能 试 验 材 料 简 介高 密 度 聚 乙 烯（）是 一 种 采 用 齐 格 勒纳 塔 催化 剂 在 低 压 或 中 压 及 一 定 温 度 条 件 下 合 成 的 聚 合 物。
8、其聚 合 的 单 体 为 乙 烯（），有 时 加 入 少 量 丁 烯、己烯或 丙 烯 等烯 烃 作 为 共 聚 单 体，聚 合 而 成。原 始 状 态 为 白 色 粉 末 或 颗 粒，分 子 结 构 为 线 性，结 晶 度 高，具 有 良 好 的 耐 热、耐 寒、加 工 性，化 学 性 质稳 定。力 学 性 能 试 验 拉 伸 实 验（）试 验 原 理拉 伸 性 能 是 高 分 子 聚 合 物 材 料 的 基 本 力 学 性 能 指标，也 是 高 密 度 聚 乙 烯 力 学 性 能 测 试 中 重 要 的 物 性 指标 之 一。使 用 均 匀 的 速 度 拉 伸 试 样 直 到 试 样 断 裂
9、 或 应力 值 或 应 力 变 化 值 达 到 预 设 值，然 后 测 量 在 此 过 程 中 试样 承 受 的 负 荷 大 小 和 伸 长 量。应 力 根 据 试 样 的 原 始 的 横 截 面 积 按 式（）计 算：（）式 中：为 拉 伸 应 力，；为 所 测 承 受 载 荷，；为 试 样 开 始 面 积，。进 一 步 计 算 应 力 变 化 值，如 式（）（）所 示。（）（）（）式 中：为 应 变 大 小，用 比 值 或 百 分 数 表 示；为 试 样间 距 离，；为 试 样 距 离 标 长 度 的 增 大 量，。拉 伸 弹 性 模 量 根 据 两 个 规 定 的 应 变 值，按 式（）
10、计 算 拉 伸 弹 性 模 量：（）式 中：为 拉 伸 弹 性 模 量 大 小，；为 应 力 变 化 变值，时 测 量 的 应 力，；为 应 力 变 化 值，时 测 量 的 应 力，；泊 松 比 根 据 两 个 相 互 垂 直 方 向 的 应 变 值，按 式（）计 算 定 义 的 泊 松 比：（）式 中：为 泊 松 比；为 纵 向 应 变；，（宽度）或（厚 度）时 的 法 相 应 变。（）拉 伸 试 验 机拉 伸 试 验 机 使 用 金 属 电 子 拉 伸 试 验 机，精 度 高、控制 方 式 灵 活 多 样，可 以 自 动 分 析 和 处 理 试 验 结 果。（）试 验 速 度速 度 变 化
11、 大 小 也 影 响 着力 学 性 能 测 试 结 果，参 照 文 献 ，选 择 测 试 速 度 分 别 为、。（）试 样 要 求试 样 最 优 选 择 宽 度 为，厚 度 取 自 组 合 式渠 道 的 渠 底 厚 度，对 其 他 渠 道 壁 部 件 也 进 行 了 拉伸 性 能 测 试，测 试 方 法 与 测 试 渠 底 部 分 相 同。（）验 步 骤 与 结 果 统 计用 拉 伸 试 验 机 的 夹 子 夹 紧 试 样，设 置 好 测 试 速 度 开始 试 验，直 到 试 样 断 裂 后 才 停 止 试 验，统 计 拉 伸 实 验 报告 的 数 据，统 计 结 果 如 表所 示。抗 压 强
12、 度 测 定（）试 验 材 料标 准 的 试 样 应 为材 料 板 块，厚 度 为。（）抗 压 强 度 试 验 机抗 压 强 度 试 验 机 使 用 电 子 压 力 试 验 机，测 试 结 果 精确、操 作 界 面 简 单，使 用 方 便。（）选 取 试 样标 准 的 试 样 最 优 选 择 为 方 形 块 状，试 样 的 厚 度 不 应少 于，块 相 同 试 样，每 块 测 试次。（）验 步 骤 与 结 果 统 计将 相 同 试 件 放 置 于 抗 压 强 度 试 验 机 的 放 置 板 面 上，开 始 加 压，载 荷 加 载 速 度 控 制 为 每 秒 ，直 至 试样 完 全 破 坏，同
13、样 步 骤 测 试 三 块 相 同 试 样，统 计 抗 压 强度 实 验 数 据，试 验 平 均 数 据 的 统 计 结 果 见 表。表力 学 性 能 试 验 平 均 数 据 统 计 表拉 伸 弹 性模 量 拉 伸 屈 服应 力 拉 伸 断 裂伸 长 率 抗 压强 度 组 合 式 渠 道 强 度 分 析 建 立 几 何 模 型本 节 利 用 软 件 对 组 合 式 渠 道 进 行强 度 分 析。第 一 步 要 建 立 单 个 渠 道 预 制 构 件 的 三 维 模 型。由 于 直 接 在 软 件 中 建 立 单 个 渠 道 预 制构 件 结 构 操 作 复 杂，使 用 三 维 绘 图 软 件
14、能 够建 立 各 种 复 杂 的 有 限 元 模 型，其 界 面 简 洁，设 计 过 程 精黄 嘉 骏，刘 向 东，周 市 林，等：基 于 的 组 合 式 高 密 度 聚 乙 烯 渠 道 强 度 仿 真 分 析简，通 过 使 用 者 建 立 几 何 约 束 限 定 对 象 关 系，三 维 装 配建 模 简 单 方 便。先 在 三 维 绘 图 软 件 建 立 单 个渠 道 三 维 实 体 模 型，然 后 导 入 到 中，建 成 后 的 单 个 渠 道 预 制 构 件 模 型 如 图所 示。结 构 整 体 坐 标 为、轴，以 竖 直 方 向 为轴，向上 为 正；以 水 平 方 向 为轴，向 左 为
15、 正；轴 沿 着 渠 道 纵向，其 方 向 以 从 接 口 端 指 向 渠 中 为 正。材 料 设 置 与 网 格 划 分依 据 厂 家 提 供 的 高 密 度 聚 乙 烯（）资 料，在软 件 中 设 定 弹 性 模 量 为 、密 度 为、泊 松 比 为。为 得 到 更 加 精 确 结果，在 中 进 行 了 多 次 网 格 划 分，对 比了 网 格 尺 寸 为、和 下 的 有 限 元 分析 结 果。最 终，综 合 性 能 最 优，确 定 网 格 尺 寸 为 。此 时 模 型 节 点 总 数 为 个，单 元 总 数 为 个。完 成 网 格 划 分 后 的 单 个 渠 道 构 件 模 型 如 图所
16、 示。图单 个 渠 道 构 件 三 维 模 型 图 图网 格 化 的 三 维 模 型 图 边 界 条 件 及 载 荷 约 束组 合 式 渠 道 单 个 构 件 凹 槽 相 互 连 接，因 此 渠 道 在 正常 工 作 中 接 口 端 两 侧 是 固 定 的 状 态，主 要 作 用 载 荷 考 虑的 是 单 个 高 密 度 聚 乙 烯（）结 构 自 重、取 满 水 状态 下 的 总 质 量，在 有 限 元 静 力 分 析 计 算 中，由 于 风 载 荷、温 度 载 荷 对 渠 道 本 身 的 应 力 影 响 太 小 而 不 进 行 考 虑。渠 道 加 载 荷 图 如 图所 示。图渠 道 载 荷 加 载 图 应 力 计 算 结 果满 水 工 况 下，单 个 渠 道 预 制 构 件 的等 效 应 力、最 大 应 力 分 布 如 图所 示，渠 道 接 头 端 中 间 截 面 最 大应 力 和 渠 道 中 间 截 面 应 力 分 布 如 图所 示。图 等 效 应 力 图图最 大 应 力 图图接 头 端 中 间 截 面 最 大 应 力 图图渠 道 中 间 截 面 应 力 图从 图可 以 看 出，组
