复合材料井盖ppt课件
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2010年5月4日在广州，一女生暴雨中坠入下水道身亡； 2011年6月23日在北京，因汽车雨中熄火，两个男青年推 车时坠井身亡； 2012年3月16日在大连，一女子坠入热力井身亡； 2013年3月12日在广西武鸣县，一名5岁男孩搬开一个排 污井上的木板，不幸掉入遇难。
2013年3月22日晚在长沙涂家冲附近，21岁的杨丽君不 慎落入无盖下水道，被急流卷走，至今下落不明。
.
4
复合材料井盖的优点及发展趋势
复合材料分类
复合材料井盖有三大类，即钢纤维混凝土井盖、再生树脂复合 材料井盖、纤维增强树脂基复合材料井盖。 这三种井盖都不含 或含少量金属，没有回收价值。其与传统材料比较的优点见表1。
复合材料的前景
目前已有大量专利技术涉及到复合材料井盖，有越来越多的
企业从事复合材料井盖的研制和生产。随着我国经济的持续
玻璃纤维/不饱和聚酯树脂 （UP/GF ）
复合材料井盖性能分析与优化
.
1
主要内容
研究背景
复合材料井盖的现状及发展趋势
高性能UP/GF复合材料的组分及制备
UP/GF复合材料的力学分析
UP/GF复合材料井盖的优化设计
.
2
研究背景
井盖事件
近年来的井盖致死事件
据估计，我国每年至少发生数千起井盖“马路杀手”导 致的伤亡事故，直接经济损失数以亿计。
UP/GF复合材料井盖的优化设计
理论上,设计方案的任何方面都是可以优化的,例如 尺寸，形状，支撑位置，制造费用，结构固有振动频 率，材料特性等“在ANSYS种,有专门用于优化设计的 模块,任何可以参数化的选项均可以作为设计优化目标。
本文对UP/GF复合材料井盖的优化主要分为两个
阶段:第一阶段主要对复合材料井盖进行材料组分优化,
采用的细观分析方法大体有两类：一类是基于均匀化理论在小变 形、线弹性理论的框架内，根据微结构特点，修正局部材料的形 变关系；另一类是直接运用有限元等数值分析方法进行模拟。为 了能够很方便的估算井盖的各种尺寸(如肋板厚度、盖板厚度等), 需要对井盖做出等效计算，通常是将井盖等效为小变形的等厚度 圆形薄板或者是变厚度的圆形薄板,这样就能够很方便的利用圆 板的有关计算公式对它进行强度校核，之后又可以反推出圆板的 有关尺寸, 最后通过实验来测试井盖的强度,确定井盖的最大承载 力和相关的尺寸。因此，首先从理论上对圆形薄板做出定性分析, 然后使用ANSYS软件对等厚度圆形薄板和变厚度圆板应力场做 出分析,以便于对井盖进行静力分. 析，疲劳分析，最后进行优化8 。
.
3
常用井盖材料
目前市场上大量使用的井盖是钢筋混凝土和铸铁2种材料。 最初大部分是钢筋混泥土检查井盖，由于其脆性大、易老化、 易断裂等缺陷逐步被铸铁检查井盖所取代。但铸铁检查井盖因 具有回收价值而经常被盗，给检查井盖的管理带来巨大的困难。
存在的问题
井盖被水淹没 井盖井被盖泥破水损填满 井盖缺失
复合材料—— 一种防腐、防 盗、抗压、低 成本的井盖材 质应运而生
UP/GF复合材料的力学分析
静力学分析
制作直径10cm,高10cm的试件若干，取3个为一组，试验结果 取平均值。分别对各组试件进行抗压试验、耐酸碱实验、承载 能力、冻融与老化试验。
井盖的有限元疲劳分析
选择直径为600的UP/GF复合材料模型井盖，采用全模建模方 式，将井盖放在井座上，然后确定边界条件并进行网格划分。 网格划分采用solid92单元，这种单元通过十个节点来定义,每 个节点有三个自由度,这三个自由度分别在x，y，z方向发生位 移传递。同时设定疲劳分析的计算规模,选择井盖具有代表性 的3个节点进行分析。根据城市道路设计规范对其进行加载，, 井盖承受的载荷是均匀作用在盖板上半径为r的载荷圈,加载时 使用载荷步加载，均布载荷值为0.08MPa,载荷步之间的间隔 为28.2s”，疲劳分析过程中还需. 要定义材料的疲劳性质参数。9
快速发展，井盖在城市规划和道路建设中得到越来越广泛的
应用。这预示着一个新型材料井盖产业的兴起。从技术上讲，
不同的复合材料井盖完全可以替代铸铁井盖在不同的条件下 使用，高性能UP/GF井盖能替代铸铁井盖在各种条件下使用。 有理由相信，随着复合材料井盖性能的进一步提高及推广力
度的加大，它的春天一定会到来. 。
构优化,主要在井盖工作容许的范围内,找力学性能最优，
用料最省的井盖优化方案。通过以上两个阶段优化后
的井盖模型基本上是一种最. 优的井盖。
10
谢谢！
.
11
.
7
复合材料试样制备工艺流程
UP/GF复合材料的力学分析
目前已有大量实验和数值计算对复合材料的形态特征（如：体积 比，颗粒形状大小，空间分布），构成材料及其界面的特性对变 形和损伤的影响进行了分析研究。因此，在建立分析模型时，要 考虑两个方面：一方面是复合材料每一组分的力学特性；另一方 面是复合材料内部的微结构特征。
310
. 3ห้องสมุดไป่ตู้0
130 6
UP/GF复合材料的组分及制备
UP（玻璃纤维）：自制
GF（不饱和聚酯树脂）：购买织物或短切纤维
促进剂：环烷酸钴
引发剂：过氧化钾乙酮
沙子：市售 按比例在UP中加入促进剂、引发剂配置成树脂胶液，将GF织 物裁切成一定尺寸进行铺层、浸胶、压制成型。目前国内采用 模压工艺制作井盖的企业较多，模压工艺一般均采用SMC模 塑料，在一定温度和压力下压制成型。
先运用ANSYS有限元分析软件建立不同组分的井盖模
型,然后根据井盖的拉压应力上限确定一个试验载荷,通
过比较各井盖模型受力情况确定最佳比例的那种模型
为最合理的井盖材料组分;第二阶段主要对复合材料井
盖进行结构优化,主要运用ANSYS有限元分析软件中的
Design 0pt处理器模块对第一阶段优化出的井盖进行结
5
表1
几种井盖的性能对比
项目
复合材料井盖
铸铁井盖
混凝土井盖
质量（kg/套）
55
100
140
抗震性
好
好
较差（易从边缘开始破坏
耐磨性
优
优
一般
承载能力
高
高
一般
耐腐蚀性
好
易生锈
一般
耐老化性
好
好
一般
防盗性
好
差
有内置加强筋易被盗
车辆通过时 的平稳性
使用寿命/a
无响声 10-12
有撞击声 5-7
一般 1-3
成本/元
2013年3月22日晚在长沙涂家冲附近，21岁的杨丽君不 慎落入无盖下水道，被急流卷走，至今下落不明。
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复合材料井盖的优点及发展趋势
复合材料分类
复合材料井盖有三大类，即钢纤维混凝土井盖、再生树脂复合 材料井盖、纤维增强树脂基复合材料井盖。 这三种井盖都不含 或含少量金属，没有回收价值。其与传统材料比较的优点见表1。
复合材料的前景
目前已有大量专利技术涉及到复合材料井盖，有越来越多的
企业从事复合材料井盖的研制和生产。随着我国经济的持续
玻璃纤维/不饱和聚酯树脂 （UP/GF ）
复合材料井盖性能分析与优化
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1
主要内容
研究背景
复合材料井盖的现状及发展趋势
高性能UP/GF复合材料的组分及制备
UP/GF复合材料的力学分析
UP/GF复合材料井盖的优化设计
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2
研究背景
井盖事件
近年来的井盖致死事件
据估计，我国每年至少发生数千起井盖“马路杀手”导 致的伤亡事故，直接经济损失数以亿计。
UP/GF复合材料井盖的优化设计
理论上,设计方案的任何方面都是可以优化的,例如 尺寸，形状，支撑位置，制造费用，结构固有振动频 率，材料特性等“在ANSYS种,有专门用于优化设计的 模块,任何可以参数化的选项均可以作为设计优化目标。
本文对UP/GF复合材料井盖的优化主要分为两个
阶段:第一阶段主要对复合材料井盖进行材料组分优化,
采用的细观分析方法大体有两类：一类是基于均匀化理论在小变 形、线弹性理论的框架内，根据微结构特点，修正局部材料的形 变关系；另一类是直接运用有限元等数值分析方法进行模拟。为 了能够很方便的估算井盖的各种尺寸(如肋板厚度、盖板厚度等), 需要对井盖做出等效计算，通常是将井盖等效为小变形的等厚度 圆形薄板或者是变厚度的圆形薄板,这样就能够很方便的利用圆 板的有关计算公式对它进行强度校核，之后又可以反推出圆板的 有关尺寸, 最后通过实验来测试井盖的强度,确定井盖的最大承载 力和相关的尺寸。因此，首先从理论上对圆形薄板做出定性分析, 然后使用ANSYS软件对等厚度圆形薄板和变厚度圆板应力场做 出分析,以便于对井盖进行静力分. 析，疲劳分析，最后进行优化8 。
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常用井盖材料
目前市场上大量使用的井盖是钢筋混凝土和铸铁2种材料。 最初大部分是钢筋混泥土检查井盖，由于其脆性大、易老化、 易断裂等缺陷逐步被铸铁检查井盖所取代。但铸铁检查井盖因 具有回收价值而经常被盗，给检查井盖的管理带来巨大的困难。
存在的问题
井盖被水淹没 井盖井被盖泥破水损填满 井盖缺失
复合材料—— 一种防腐、防 盗、抗压、低 成本的井盖材 质应运而生
UP/GF复合材料的力学分析
静力学分析
制作直径10cm,高10cm的试件若干，取3个为一组，试验结果 取平均值。分别对各组试件进行抗压试验、耐酸碱实验、承载 能力、冻融与老化试验。
井盖的有限元疲劳分析
选择直径为600的UP/GF复合材料模型井盖，采用全模建模方 式，将井盖放在井座上，然后确定边界条件并进行网格划分。 网格划分采用solid92单元，这种单元通过十个节点来定义,每 个节点有三个自由度,这三个自由度分别在x，y，z方向发生位 移传递。同时设定疲劳分析的计算规模,选择井盖具有代表性 的3个节点进行分析。根据城市道路设计规范对其进行加载，, 井盖承受的载荷是均匀作用在盖板上半径为r的载荷圈,加载时 使用载荷步加载，均布载荷值为0.08MPa,载荷步之间的间隔 为28.2s”，疲劳分析过程中还需. 要定义材料的疲劳性质参数。9
快速发展，井盖在城市规划和道路建设中得到越来越广泛的
应用。这预示着一个新型材料井盖产业的兴起。从技术上讲，
不同的复合材料井盖完全可以替代铸铁井盖在不同的条件下 使用，高性能UP/GF井盖能替代铸铁井盖在各种条件下使用。 有理由相信，随着复合材料井盖性能的进一步提高及推广力
度的加大，它的春天一定会到来. 。
构优化,主要在井盖工作容许的范围内,找力学性能最优，
用料最省的井盖优化方案。通过以上两个阶段优化后
的井盖模型基本上是一种最. 优的井盖。
10
谢谢！
.
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复合材料试样制备工艺流程
UP/GF复合材料的力学分析
目前已有大量实验和数值计算对复合材料的形态特征（如：体积 比，颗粒形状大小，空间分布），构成材料及其界面的特性对变 形和损伤的影响进行了分析研究。因此，在建立分析模型时，要 考虑两个方面：一方面是复合材料每一组分的力学特性；另一方 面是复合材料内部的微结构特征。
310
. 3ห้องสมุดไป่ตู้0
130 6
UP/GF复合材料的组分及制备
UP（玻璃纤维）：自制
GF（不饱和聚酯树脂）：购买织物或短切纤维
促进剂：环烷酸钴
引发剂：过氧化钾乙酮
沙子：市售 按比例在UP中加入促进剂、引发剂配置成树脂胶液，将GF织 物裁切成一定尺寸进行铺层、浸胶、压制成型。目前国内采用 模压工艺制作井盖的企业较多，模压工艺一般均采用SMC模 塑料，在一定温度和压力下压制成型。
先运用ANSYS有限元分析软件建立不同组分的井盖模
型,然后根据井盖的拉压应力上限确定一个试验载荷,通
过比较各井盖模型受力情况确定最佳比例的那种模型
为最合理的井盖材料组分;第二阶段主要对复合材料井
盖进行结构优化,主要运用ANSYS有限元分析软件中的
Design 0pt处理器模块对第一阶段优化出的井盖进行结
5
表1
几种井盖的性能对比
项目
复合材料井盖
铸铁井盖
混凝土井盖
质量（kg/套）
55
100
140
抗震性
好
好
较差（易从边缘开始破坏
耐磨性
优
优
一般
承载能力
高
高
一般
耐腐蚀性
好
易生锈
一般
耐老化性
好
好
一般
防盗性
好
差
有内置加强筋易被盗
车辆通过时 的平稳性
使用寿命/a
无响声 10-12
有撞击声 5-7
一般 1-3
成本/元