摘要：污泥沉积池罩是污泥沉积池的重要部件。由于其跨度大，长期处于酸性环境中，对材料的强度和防腐性能要求较高，玻璃钢是为理想的选材。本文根据污泥沉积池罩的受力和安装要求，利用大型通用有限元工程设计软件ANSYS对污泥沉积池罩的外形、结构和重量进行了优化设计，终设计出重量仅为11. 2t，直径34m的玻璃钢污泥沉积池罩。
    关键词：复合材料；优化设计；辅助设计；力学性能
    中图分类号：TQ327. 1；X703. 3文献标识码：A文章编号：1003 - 0999 ( 2005 ) 02 - 0029 - 04

1  前言
    随着现代化都市的不断扩容，城市水资源缺乏日益严重，污水处理再利用是水资源循环使用的重要途径。污泥沉积池是净化系统的重要组成部分，为了降低污泥沉积池释放的臭气、毒气对外界的污染，需要在污泥沉积池上安装污泥沉积池罩。污泥沉积池有圆形、方形等多种类型，而以圆形为常见，其直径一般为20 --40m。由于污泥沉积池罩跨度大，强度刚度要求高，传统的罩子大多采用钢骨架，配装铁皮、帆布和其它辅材。这样的结构和功能实际上是由不同材料分别承担，不是一个有机的整体，而且由于长期处于酸性气氛和30--40℃暴晒的环境中，一般要求骨架材料为不锈钢，遮蔽物为防腐材料，因此传统罩子的制造难度和成本都相对较高。采用玻璃钢制造污泥沉积池罩，将充分利用玻璃钢结构和功能相统一的性能来提高材料利用率，减轻产品重量，改善结构性能，降低产品制造成本^〔1〕。本文根据污泥沉积池罩的实际受力和安装要求，利用有限元工程软件ANSYS对产品进行了设计计算，总结出影响污泥沉积池罩结构的关键控制因素；对污泥沉积池罩的外形、结构和重量进行了优化设计，终设计出结构满足使用要求，外形美观的玻璃钢污泥沉积池罩。
2   有限元模型的建立及求解
2.1基本结构设计
    产品概念性构想是复合材料产品外形和结构设计的重要环节，本文针对产品技术要求构建了玻璃钢污泥沉积池罩的雏形，如图1所示。设计的污泥沉积池罩直径34m，单瓣跨度巧m，一端固定在半径为2m的电机圆柱形桶壁上，为了不影响电机的转动和维修桥的架设，以及方便电机部分的维护和保养，安装点高度设计为2m，另一端固定在以污泥沉积池中心为圆心，半径为17m的圆形钢筋混凝土结构的地基上。此结构为大跨度的薄壁结构，参照大型玻璃钢屋盖和育顶的设计原理，选择了波形断面桶拱结构川。它具有刚度高、抗弯性和稳定性好的特点。为便于运输和吊装，污泥沉积池罩采用了对称分瓣组合形式，由36瓣组成，每瓣的大圆弧小于3m；为了提高整体刚度还采用了壳体翻边连接方式，在壳体上自然形成一圈T型筋，每瓣之间、上下端与固定支之间均采用法兰联接，螺栓固定，所以整个罩体基本上是带加强筋的回转壳体结构(2)。罩体组装后无倒灌水和驻水现象。罩以玻璃钢为主体材料，辅以聚氨醋泡沫及其它材料复合制造而成。玻璃钢污泥沉积池罩主要受到冬季雪载和自重的影响。在上述载荷共同作用下，材料许用应力必须具有足够的安全系数，为各种因素的影响提供一定的强度储备，刚度要求大变形挠度小于l0mm.

2.2有限元模型的建立、约束条件和载荷施加
    污泥沉积池罩尺寸满足h/Rm;.（h为厚板，R为中曲面的曲率半径）比值小于20[31，以手糊铺层方式成型，所以罩的主体选用了具有6个自由度，适于非线性大应变分析的she 1191壳单元，并采用四边

结构改良的备选方案，不参与优化设计，终的有限元模型如图2所示

 根据第2.1节对玻璃钢污泥沉积池罩的分析，罩的内外端面施加固定支，即约束全部自由度，由于采用了循环对称分析算法，无需施加对称边界约束条件。加自重载荷时，考虑在ANSYS分析中忽略螺栓等附加重量，模型重量相比实际自重偏低的问题，对玻璃钢的密度进行了修正，附加载荷系数设为1．05。整个污泥沉积池罩需要大约2300个螺栓固定，重量大约在700一800纯，整个玻璃钢罩的净重约12t0由于手糊玻璃钢制品厚度离散较大，通常有超厚现象，设超载系数1 ．2^〔2〕，所以计算时玻璃钢密度终被修正为2. 268 x 103 Kg・m^-3。根据产品安装地区（华北某地）10a高降雪厚度为190mm的气象信息，全年积雪超载系数按1 ．2对积雪总重加权，由于罩体表面很难用函数来定义确定，因此本文借助于SURF154表面单元在异形面上完成了雪载的施加。

2.3有限元求解
    为了能调用自动循环对称算法，选择在ANSYS多物理场下进行分析求解。作为循环对称分析的循环部件必须具有类似于扇区的结构形式，转动的角度应能被360度整除，污泥沉积池罩单瓣扫过的角度为10度，整除数为36满足要求。在循环对称分析中系统先对单个的循环对称单元进行求解，然后再利用这个计算结果构建出整个循环对称系统对此做出的响应行为，利用此算法能在相对较小的计算开支内求得整个系统的受力状态。
    优化设计模块是ANSYS多物理场程序的一个重要模块。优设计方案旨在满足所有设计要求的条件下所需的支出（如重量、面积、体积、应力、费用等）小。优化设计的基本原理是通过构建优化模型，运用各种优化方法，通过在满足设计要求的条件下的计算，求得目标函数的极值，得到优设计方案。其过程是一系列的分析、评估及修正的循环过程，即对于初始设计进行分析，对分析结果及设计要求进行评估，然后修正设计^[4]。
    由于玻璃钢污泥沉积池罩没有现成的原形，设计的控制因素很多，对变量的迭代控制很难实现。因此根据产品要求，先设计了玻璃钢污泥沉积池罩的雏形，对其进行了基本受力分析，发现存在的问题，归纳总结影响结构的重要控制因素，在此基础上再进行模型的修改和优化。在优化分析阶段，将壁厚作为设计变量，SEQV应力作为状态变量，其控制范围为应力小于13 MPa；把总重作为目标函数，选择一阶作为优化方法，大迭代次数40次，收敛计算结束后查看结果。为了提高产品的刚度，将大挠度值降到l omm以下。参照受力情况，在优化设计的基础上，对模型变形较大的区域进行了加筋改良处理，同时通过改变铺层角度等方式提高产品强度。由于罩子为大跨度的薄壳结构，稳定问题是必须考虑的，因此本文还对终的产品结构进行了屈曲特征值校核分析^[1,4]。
3 结果分析
    初结构设计的有限元分析结果如图3所示，挠度 33 mm、应力30MPa，相比技术要求偏高。进一步分析发现，玻璃钢罩与电机圆柱形钢壁连接点的高度，拱的形状和大小，以及波形和波形变化是影响结构的主要控制因素，而且挠度的敏感区域主要集中在中间部位，应力的敏感区域主要集中在两端固定支附近。因此，修改设计模型后如图2如示。然后在不同铺层方式下对此结构进行了计算，发现[-45/0/45/90]s。方式明显优于（0/90），方式，挠度减小了27%，SEQV应力减小了29.5%，因此将[-45/0/45/90]s作为进一步设计的铺层方式。

在优化阶段，求解收敛于第11次迭代，厚度4．lmm、总重10. 2269t为系统分析的佳结果。从图4,表1分析可知SEQV应力随总重的增加而递减，在10. 2269t时应力次降到了13MPa以下，随后出现过一段平台，再后的变化非常小，因此可以确认优化正确。
    从优化结果数据中提取节点的大挠度值进行分析发现，大挠度总大于13 mm，随厚度变化不是很明显，考虑采用加筋的方法来提高罩的整体刚度。加筋的部位按照挠度分布情况排布，如图5所示，距中心4m，长9m。筋截面形状为矩形，高80rnm，宽l00mm，其计算结果如图6所示，大挠度9. 598mm小于设计要求l omm。以安全系数8计算(21，应力SEQV大值8. 913MPa小于许用应力21 MPao经屈曲分析，此结构的稳定系数为11.545，大变形量小于lmm，各项指标均满足设计要求。罩的总重量为11．1961t，远小于钢结构30多吨的重量，达到了以玻璃钢污泥沉积池罩替代钢结构污泥沉积池罩的设计目的。

4    结语
    利用有限元分析软件ANSYS对复合材料产品进行辅助设计，有助于设计人员在较短时间内了解、把握问题的实质，及时提出解决问题的方法，缩短研发周期，降低研制风险，提高产品试制的成功率。与传统的设计方法相比，计算机辅助设计有较高的设计质量，特别是在结构优化和减重方面尤为突出。本文在ANSYS软件平台上，对大型建筑体一玻璃钢污泥沉积池罩进行了设计开发，完成了外形设计，材料设计和结构优化设计等多项内容，并在优厚度4. 1 mm下通过加筋方式进一步提高了产品的整体刚度，终设计出满足使用要求，总重仅为11 ．2t，直径34m的玻璃钢污泥沉积池罩，加强筋的优化还有待进一步研究。

                    参考文献
1〕沃丁柱．复合材料大全[M]．北京：化工工业出版社．1998.
2〕刘雄亚，晏石林．复合材料制品设计及应用(M〕．北京：化工工业出版社．2003．
3〕哈尔滨建筑工程学院．玻璃钢结构分析与设计(M〕．北京：建筑工业出版社．1981．
4) 张胜民．基于有限元软件ANSYS 7. 0的结构分析(M)．北京清华大学出版社，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