李 丹1，宋 佳2，龚俊杰1，高建和2
（1．扬州大学广陵学院，江苏 扬州 225009;2．扬州大学机械工程学院，江苏 扬州 225127）
摘要：基于散固耦合与经典土力学理论，运用有限元软件ABAQUS对设计的玻纤增强SMC阀门检查井结构的埋地工况进行仿真分析，并利用电测法对该阀门井进行实际填埋试验，获取玻纤增强SMC阀门井的应力分布及变形情况。对比测试结果与有限元分析结果二者有较高吻合度，从而验证了有限元模型的正确性，为后续分析、结构优化提供了可靠的依据。
关键词：有限元分析；SMC阀门井；ABAQUS;填埋测试 中图分类号：TP3 91.7
0 引言
传统的砖砌与混凝土检查井因其脆性大、易老化、维修不便等缺点逐渐被滚塑成型检查井、注塑成型检查井、高分子复合材料SMC和BMC模压成型检查井等替代。随着高分子合成材料时代的来临，作为高强度、轻型薄壁结构件的SMC和BMC高分子复合材料模压成型检查井备受推崇。
相较欧、美等国家，我国玻纤增强SMC模压塑料检查井的开发和推广起步较晚，近几年，随着模压设备上活动式抽芯及模具组拼技术的成熟，专用于复合材料检查井生产的新型模压设备得以问世，使得SMC模压检查井的推广成为可能。采用新的工艺、材料制备的玻纤增强SMC和BMC模压成型检查井，因其绿色环保、强度高、抗腐蚀性强、质量轻、施工安装便利、综合成本低等优势将成为这一领域重要的发展方向。因此，薄壁轻型玻纤增强SMC和BMC检查井在埋深工况下的强度与刚度问题引起业界极大的关注，本文运用有限元软件ABAQUS对设计的玻纤增强SMC阀门检查井结构的埋地工况进行仿真分析。
1SMC阀门井有限元分析
参照《塑料检查井应用技术规程》，对900-900-1200玻纤增强SMC阀门井进行结构设计，其壁厚为8mm，阀门井井壁上设有加强筋。利用有限元软件ABAQUS仿真该阀门井在实际使用工况下的整体受力和变形情况，根据分析结果对模型进行评估。实际使用工况如下：将900-900-1200玻纤增强SMC阀门检查井放置于敷设基础上，用砂土回填至顶并夯实。
1.1 材料性能测试
选取玻纤增强SMC阀门井井体材料，根据GB/T1447- 2005纤维增强塑料拉伸性能试验方法和GB/T 1449 - 2005纤维增强塑料弯曲性能试验方法，按不同方向机加工制取试样，每组试样至少3个，分别进行塑料的拉伸和弯曲试验。由于该SMC检查井采用短切玻璃纤维作为增强材料，按不同方向制取的试样其力学性能几近相同，故可看做各向同性材料。测得的玻纤增强SMC材料力学性能参数如表1所示。
由表1可知，玻纤增强SMC弹性模量及抗拉和抗弯强度高、塑性差，因此在低于屈服应力下材料基本处于弹性变形范围内，计算采用线弹性分析。由于在土压力作用下井壁向内凹陷，因此，在有限元分析中，主要以材料弯曲性能为衡量标准。
1.2 模型网格划分
针对该型阀门井使用工况，在ABAQUS中采用修正的二次四面体单元(C3D10M)，该单元有着很小的剪切和体积自锁现象，对模型进行网格划分，设置全局单元大小为15 mm，模型总单元数为168 440，如图1所示。
1.3 约束与载荷施加
玻纤增强SMC阀门井由4块相同的井片通过螺栓连接而成，故对相邻井片进行绑定( Tie)约束；又由于阀门井置于敷设基础上，故对井底进行弹性固定。
1.4 有限元计算结果
本文运用有限元软件ABAous对玻纤增强SMC阀门井埋地工况进行仿真分析，分析结果如图3～图6所示。由图3～图6可知，该型号玻纤增强SMC阀门井在回填至顶时，最大Mises应力为22.28 MPa，远小于材料的弯曲强度，位于阀门井竖直井壁两侧中部的加强筋上，竖直井壁两侧及底部的中间区域应力相对较大；X方向的最大位移为5. 94 mm，y方向的最大位移为5. 91 mm，均位于竖直井壁中间偏下位置，Z方向的最大位移为0. 28 mm，位于倾斜井壁中部及井口处。
2 SMC阀门井回填试验
2.1 测试内容及测点分布
采用电测法对玻纤增强SMC阀门井在回填过程中不同埋深时的强度、刚度进行测试。将双向应变花固定在井壁内侧，测定井体在回填过程中井体表面的应变，根据应力、应变关系确定构件表面的应力状态，利用位移传感器测定结构回填过程中的变形情况，从而确定应力及变形大小与填埋深度的关系。测点分布如图7所示，在A、B、C、D4个井壁（其中A、C为相对面．B、D为相对面）上固定28个双向应变花（图中未标出）；位移表1、3、5分别测量D、C、B面中点（即D4、C4、B4位置）水平方向变形量，位移表4用于测量井口中点竖向变形量。
2.2 测试结果分析
选取阀门井A面中线上从上至下的几个测点(A1、A3、A4、A5、A6)，绘制应力埋深曲线，如图8所示。
由图8可知，随着埋深的增加，各测点的应力值也随之增加，由于阀门井的尺寸较小且无覆土，整体的应力值都较小，其中A6处的应力值最大，位于竖直井壁与底部连接处，最大值远小于材料本身的抗弯强度。
选取阀门井4个面上同一高度（竖直井壁中线上中间偏下）测点，绘制应力一埋深曲线，如图9所示。
由图9可知，随着埋深的增加，同一高度上各测点的应力值也随之增加，且趋势大致相同。其中B5的数据较之其他几组数据略大，实际埋深过程中阀门井的B面是最靠近士壤的一面，由于测试是在大雨之后进行的，土壤含水量大增，可能导致这一面的应力稍大于其他3个面。
2.3 测试结果与有限元分析对比
为验证有限元仿真分析的可靠性，需将相同工况下测试结果与仿真结果进行对比。选取应力测点A1、A4、A6、A8、A10，及位移测点D3、C3和井口中点的测试结果与相应测点有限元仿真结果为比较对象，其中各测点有限元分析结果可在ABAQUS后处理中查询。对比结果如表2、表3所示。
3 结论
由有限元分析结果及测试可见，在使用工况下，玻纤增强SMC阀门井最大应力远小于材料的弯曲强度，且变形量不大，结构安全。应力较大区域主要分布在竖直井壁的两侧及底部的中间位置，而变形较大区域集中在竖直井壁的中间偏下位置，这与埋地测试结果是吻合的。从表2、表3部分测点对比结果可以看出，测试结果整体比有限元分析结果稍大，这是由于埋地测试处于雨季，土壤湿度较之正常值偏大，造成土重度较计算略大，差值在可接受范围内，从而验证了有限元模型的正确性，有限元分析结果可作为该类问题的参考，结果较为可靠。
