1、1玻璃纖維玻璃纖維/不飽和聚酯樹脂不飽和聚酯樹脂（UP/GF ）復(fù)合材料井蓋性能分析與優(yōu)化復(fù)合材料井蓋性能分析與優(yōu)化2主要內(nèi)容主要內(nèi)容u研究背景研究背景u復(fù)合材料井蓋的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)復(fù)合材料井蓋的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)u高性能高性能UP/GF復(fù)合材料的組分及制備復(fù)合材料的組分及制備uUP/GF復(fù)合材料的力學(xué)分析復(fù)合材料的力學(xué)分析uUP/GF復(fù)合材料井蓋的優(yōu)化設(shè)計(jì)復(fù)合材料井蓋的優(yōu)化設(shè)計(jì)3研究背景研究背景u井蓋事件井蓋事件近年來(lái)的井蓋致死事件據(jù)估計(jì)，我國(guó)每年至少發(fā)生數(shù)千起井蓋“馬路殺手”導(dǎo)致的傷亡事故，直接經(jīng)濟(jì)損失數(shù)以億計(jì)。2010年5月4日在廣州，一女生暴雨中墜入下水道身亡；2011年6月23日在北京，

2、因汽車雨中熄火，兩個(gè)男青年推車時(shí)墜井身亡；2012年3月16日在大連，一女子墜入熱力井身亡； 2013年3月12日在廣西武鳴縣，一名5歲男孩搬開一個(gè)排污井上的木板，不幸掉入遇難。 2013年年3月月22日晚在長(zhǎng)沙涂家沖附近，日晚在長(zhǎng)沙涂家沖附近，21歲的楊麗君不歲的楊麗君不慎落入無(wú)蓋下水道，被急流卷走，至今下落不明。慎落入無(wú)蓋下水道，被急流卷走，至今下落不明。4井蓋被水淹沒井蓋被水淹沒u常用井蓋材料常用井蓋材料目前市場(chǎng)上大量使用的井蓋是鋼筋混凝土鋼筋混凝土和鑄鐵鑄鐵2種材料。最初大部分是鋼筋混泥土檢查井蓋，由于其脆性大、易老化、脆性大、易老化、易斷裂易斷裂等缺陷逐步被鑄鐵檢查井蓋所取代。但鑄鐵

3、檢查井蓋因具有回收價(jià)值而經(jīng)常被盜具有回收價(jià)值而經(jīng)常被盜，給檢查井蓋的管理帶來(lái)巨大的困難。u存在的問(wèn)題存在的問(wèn)題井蓋被泥水填滿井蓋被泥水填滿井蓋破損井蓋破損井蓋缺失井蓋缺失復(fù)合材料復(fù)合材料一種一種防腐、防防腐、防盜、抗壓、低盜、抗壓、低成本成本的井蓋材質(zhì)應(yīng)運(yùn)而生5復(fù)合材料井蓋的優(yōu)點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)復(fù)合材料井蓋的優(yōu)點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)u復(fù)合材料分類復(fù)合材料分類復(fù)合材料井蓋有三大類，即鋼纖維混凝土井蓋、再生樹脂復(fù)合材料井蓋、纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料井蓋。 這三種井蓋都不含或含少量金屬，沒有回收價(jià)值。其與傳統(tǒng)材料比較的優(yōu)點(diǎn)見表1。u復(fù)合材料的前景復(fù)合材料的前景目前已有大量專利技術(shù)涉及到復(fù)合材料井蓋，有越來(lái)越多的企業(yè)從

4、事復(fù)合材料井蓋的研制和生產(chǎn)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，井蓋在城市規(guī)劃和道路建設(shè)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。這預(yù)示著一個(gè)新型材料井蓋產(chǎn)業(yè)的興起。從技術(shù)上講，不同的復(fù)合材料井蓋完全可以替代鑄鐵井蓋在不同的條件下使用，高性能高性能UP/GF井蓋能替代鑄鐵井蓋在各種條件下使用井蓋能替代鑄鐵井蓋在各種條件下使用。有理由相信，隨著復(fù)合材料井蓋性能的進(jìn)一步提高及推廣力度的加大，它的春天一定會(huì)到來(lái)。 6項(xiàng)目復(fù)合材料井蓋鑄鐵井蓋混凝土井蓋質(zhì)量（kg/套）55100140抗震性好好較差（易從邊緣開始破壞)耐磨性優(yōu)優(yōu)一般承載能力高高一般耐腐蝕性好易生銹一般耐老化性好好一般防盜性好差有內(nèi)置加強(qiáng)筋易被盜車輛通過(guò)時(shí)的平穩(wěn)性

5、無(wú)響聲有撞擊聲一般使用壽命/a10-125-71-3成本/元310320130表表1 幾種井蓋的性能對(duì)比幾種井蓋的性能對(duì)比7UP/GF復(fù)合材料的組分及制備復(fù)合材料的組分及制備UP（玻璃纖維）：自制GF（不飽和聚酯樹脂）：購(gòu)買織物或短切纖維促進(jìn)劑：環(huán)烷酸鈷引發(fā)劑：過(guò)氧化鉀乙酮沙子：市售按比例在UP中加入促進(jìn)劑、引發(fā)劑配置成樹脂膠液，將GF織物裁切成一定尺寸進(jìn)行鋪層、浸膠、壓制成型。目前國(guó)內(nèi)采用模壓工藝制作井蓋的企業(yè)較多，模壓工藝一般均采用SMC模模塑料塑料，在一定溫度和壓力下壓制成型。復(fù)合材料試樣制備工藝流程8UP/GF復(fù)合材料的力學(xué)分析復(fù)合材料的力學(xué)分析目前已有大量實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算對(duì)復(fù)合材料的形

6、態(tài)特征（如：體積比，顆粒形狀大小，空間分布），構(gòu)成材料及其界面的特性對(duì)變形和損傷的影響進(jìn)行了分析研究。因此，在建立分析模型時(shí)，要考慮兩個(gè)方面：一方面是復(fù)合材料每一組分的力學(xué)特性每一組分的力學(xué)特性；另一方面是復(fù)合材料內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)特征內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)特征。采用的細(xì)觀分析方法大體有兩類：一類是基于均勻化理論均勻化理論在小變小變形、線彈性理論形、線彈性理論的框架內(nèi)，根據(jù)微結(jié)構(gòu)微結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，修正局部材料的形變關(guān)系；另一類是直接運(yùn)用有限元等數(shù)值分析方法有限元等數(shù)值分析方法進(jìn)行模擬。為了能夠很方便的估算井蓋的各種尺寸(如肋板厚度、蓋板厚度等),需要對(duì)井蓋做出等效計(jì)算，通常是將井蓋等效為小變形的等厚度井蓋等效為小變

7、形的等厚度圓形薄板圓形薄板或者是變厚度的圓形薄板變厚度的圓形薄板,這樣就能夠很方便的利用圓板的有關(guān)計(jì)算公式對(duì)它進(jìn)行強(qiáng)度校核，之后又可以反推出圓板的有關(guān)尺寸, 最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)試井蓋的強(qiáng)度,確定井蓋的最大承載力和相關(guān)的尺寸。因此，首先從理論上對(duì)圓形薄板做出定性分析,然后使用ANSYS軟件對(duì)等厚度圓形薄板和變厚度圓板應(yīng)力場(chǎng)做出分析,以便于對(duì)井蓋進(jìn)行靜力分析，疲勞分析，靜力分析，疲勞分析，最后進(jìn)行優(yōu)化優(yōu)化。9UP/GF復(fù)合材料的力學(xué)分析復(fù)合材料的力學(xué)分析l靜力學(xué)分析靜力學(xué)分析制作直徑10cm,高10cm的試件若干，取3個(gè)為一組，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。分別對(duì)各組試件進(jìn)行抗壓試驗(yàn)、耐酸堿實(shí)驗(yàn)、承載抗壓試驗(yàn)、

8、耐酸堿實(shí)驗(yàn)、承載能力、凍融與老化試驗(yàn)?zāi)芰Α鋈谂c老化試驗(yàn)。l井蓋的有限元疲勞分析井蓋的有限元疲勞分析 選擇選擇直徑為600的UP/GF復(fù)合材料模型模型井蓋，采用全模建模方式，將井蓋放在井座上，然后確定邊界條件并進(jìn)行網(wǎng)格劃分然后確定邊界條件并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分采用solid92單元，這種單元通過(guò)十個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)定義,每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度,這三個(gè)自由度分別在x，y，z方向發(fā)生位移傳遞。同時(shí)設(shè)定疲勞分析的計(jì)算規(guī)模,選擇井蓋具有代表性的3個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析。根據(jù)城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)其進(jìn)行加載進(jìn)行加載，,井蓋承受的載荷是均勻作用在蓋板上半徑為r的載荷圈,加載時(shí)使用載荷步加載，均布載荷值為0.08MPa,載荷步之

9、間的間隔為28.2s”，疲勞分析過(guò)程中還需要定義材料的疲勞性質(zhì)參數(shù)。10UP/GF復(fù)合材料井蓋的優(yōu)化設(shè)計(jì)復(fù)合材料井蓋的優(yōu)化設(shè)計(jì) 理論上,設(shè)計(jì)方案的任何方面都是可以優(yōu)化的,例如尺寸，形狀，支撐位置，制造費(fèi)用，結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)頻率，材料特性等“在ANSYS種,有專門用于優(yōu)化設(shè)計(jì)的模塊,任何可以參數(shù)化的選項(xiàng)均可以作為設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)。 本文對(duì)UP/GF復(fù)合材料井蓋的優(yōu)化主要分為兩個(gè)階段:第一階段主要對(duì)復(fù)合材料井蓋進(jìn)行材料組分優(yōu)化復(fù)合材料井蓋進(jìn)行材料組分優(yōu)化,先運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件建立不同組分的井蓋模型,然后根據(jù)井蓋的拉壓應(yīng)力上限確定一個(gè)試驗(yàn)載荷,通過(guò)比較各井蓋模型受力情況確定最佳比例的那種模型為最合理的井蓋材料組分;第二階段主要對(duì)復(fù)合材料