李柏林，沈其明，孫國(guó)立，邵倩男，黃晶晶，王 儒

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼陽(yáng)111003）

0 前言

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，而水作為人們離不開(kāi)的一種資源，人們對(duì)水的需求量也隨著生活水平的提高而不斷增加。在給水工程設(shè)計(jì)中，經(jīng)常采用儲(chǔ)水箱作為給水系統(tǒng)的高峰調(diào)節(jié)儲(chǔ)水設(shè)備，其特點(diǎn)是能使體系運(yùn)行經(jīng)濟(jì)、可靠、操作簡(jiǎn)單、管理方便[1]。目前，國(guó)內(nèi)使用的民用水箱大部分都是用水泥混凝土砌成或是用鋼板焊接或是單元鋼板螺接拼接而成的。這類水箱重量重、強(qiáng)度低、安裝不便、缺乏耐久性且易產(chǎn)生污染，嚴(yán)重的甚至?xí)：θ祟惖慕】礫2]。

鋁合金是一種有著百年發(fā)展歷史的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，現(xiàn)階段已發(fā)展成全球用量第二大的金屬材料，僅次于鋼鐵。特別是在20世紀(jì)中期開(kāi)始，鋁合金開(kāi)始大量由軍工轉(zhuǎn)向民用，成為國(guó)民基礎(chǔ)經(jīng)濟(jì)建設(shè)中不可或缺的一類重要金屬材料[3]。由于鋁合金具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、可塑性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，鋁合金制品已在生活中隨處可見(jiàn)，并在航天航空、交通運(yùn)輸、建筑、機(jī)電等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛[4]。本文結(jié)合鋁合金自身優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)出一款由多單元通過(guò)螺接固定構(gòu)成的儲(chǔ)水箱，可應(yīng)用于賓館、機(jī)關(guān)、公寓、醫(yī)療等領(lǐng)域，并通過(guò)計(jì)算與分析進(jìn)一步驗(yàn)證鋁合金儲(chǔ)水箱的可行性，以便后續(xù)的推廣使用。

1 外形尺寸與材料的確定

1.1 外形尺寸的確定

此次設(shè)計(jì)的鋁合金儲(chǔ)水箱全容積為84 m3，有效容積為72 m3，水箱外形尺寸為6 000 mm×4 000 mm×3 500 mm（L×B×H），水位高度h=3 000 mm，如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)水箱外形示意圖

1.2 材料的選擇

市場(chǎng)上儲(chǔ)水箱多采用不銹鋼板、熱鍍鋅鋼板制成，無(wú)論采用何種材質(zhì)均應(yīng)在使用中不得對(duì)水質(zhì)有污染，并應(yīng)經(jīng)衛(wèi)生安全防疫的專門(mén)機(jī)構(gòu)檢測(cè)合格。本文選用6063擠壓鋁合金作為儲(chǔ)水箱各構(gòu)件的結(jié)構(gòu)材料，這是一種可熱處理強(qiáng)化鋁合金，其比強(qiáng)度較高、成型性和耐蝕性好[5]；選用5052軋制鋁合金作為儲(chǔ)水箱底板的結(jié)構(gòu)材料，它是一種不可熱處理強(qiáng)化鋁合金，具有良好的抗蝕性[6]。兩種合金材料的各自性能如表1所示。

表1 6063與5052鋁合金主要力學(xué)性能和參數(shù)

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 箱體截面設(shè)計(jì)

箱體作為儲(chǔ)水箱的重要組成部分，直接影響到儲(chǔ)水箱整體的質(zhì)量，因此箱體的截面設(shè)計(jì)十分重要。為了滿足鋁合金儲(chǔ)水箱箱體的強(qiáng)度、剛度和外觀質(zhì)量的可行性，箱體截面設(shè)計(jì)為“凵”形，并且將與水接觸面設(shè)計(jì)為雙層弧形接觸面，同時(shí)夾層內(nèi)設(shè)有加強(qiáng)筋，呈齒形，進(jìn)一步提高箱體的安全性，如圖2所示。

圖2 箱體截面示意圖

2.2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋁合金儲(chǔ)水箱是由多單元構(gòu)件通過(guò)螺接固定而成。它包括箱體構(gòu)件、箱體加強(qiáng)構(gòu)件、拐角連接構(gòu)件、箱蓋構(gòu)件、底板和底座構(gòu)件，同時(shí)還設(shè)有檢修孔、內(nèi)外爬梯等。此外，為了進(jìn)一步提高鋁合金儲(chǔ)水箱的安全性，在儲(chǔ)水箱外部設(shè)有二層背楞保護(hù)構(gòu)件，具體如圖3所示。其中箱體加強(qiáng)構(gòu)件可以提高箱體構(gòu)件的強(qiáng)度，底座構(gòu)件是由橫、縱支撐桿通過(guò)交錯(cuò)排布構(gòu)成，呈格柵狀。儲(chǔ)水箱組裝完成后，在其內(nèi)部覆蓋一層FRP材料，以保證儲(chǔ)水箱的密封性。

圖3 儲(chǔ)水箱結(jié)構(gòu)數(shù)模

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.1 儲(chǔ)水箱設(shè)計(jì)參數(shù)

鋁合金儲(chǔ)水箱長(zhǎng)L=6 000 mm，寬B=4 000 mm，高H=3 500 mm，水位高度h=3 000 mm，箱頂厚度tr=5 mm，箱體厚度t=8 mm，箱底厚度tb=5 mm，水的密度ρ=1.0×10-6kg/mm3，箱體的極限撓度值為1/200×H[8]，長(zhǎng)期載荷Ps=ρgh=1.0×10-6kg/mm3×10 N/kg×3 000 mm=0.03 N/mm，即Ps=0.03 MPa。

3.2 箱體部位應(yīng)力及變形的分析與計(jì)算

箱體在儲(chǔ)水箱自重及靜水壓力作用下，受到壓縮應(yīng)力、彎曲應(yīng)力以及剪應(yīng)力，該應(yīng)力值在箱體與箱底連接處最大。經(jīng)理論推導(dǎo)分析可知，按公式（1）計(jì)算各部應(yīng)力值及撓度值，并與對(duì)應(yīng)的許用值進(jìn)行比較，判斷其安全性[7]。計(jì)算結(jié)果如下：

由此可見(jiàn)，儲(chǔ)水箱箱體的強(qiáng)度、剛度可以承受儲(chǔ)水箱自重和水壓。

3.3 箱底部位應(yīng)力及變形的分析與計(jì)算

箱底部分支撐網(wǎng)格尺寸為：a=670 mm，b=670 mm，a/b=1。由表2可知，α=0.00126，β=-0.0513。

表2 等分布?jí)毫ψ饔孟轮苓吂讨чL(zhǎng)方形板的α、β值

將以上參數(shù)代入下式，并與對(duì)應(yīng)的許用值進(jìn)行比較，判斷其安全性。計(jì)算結(jié)果如下：

由此可知儲(chǔ)水箱箱底的強(qiáng)度、剛度可以承受水壓。

計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)鋁合金儲(chǔ)水箱裝水72 m3，即儲(chǔ)水箱水位高度達(dá)到3 000 mm時(shí)：（1）儲(chǔ)水箱箱體的最大應(yīng)力｜σm，max｜=0.11 MPa，小于6063-T6的屈服強(qiáng)度[σm]=170 MPa，最大位移δmax=2.54 mm，小于要求的17.5 mm；（2）儲(chǔ)水箱箱底的最大應(yīng)力｜σm，max｜=165.8 MPa，小于5052-H16的屈服強(qiáng)度[σm]=210 MPa，最大位移δmax=4.72 mm，小于要求的10.05 mm。綜上所述，鋁合金儲(chǔ)水箱箱體和箱底的強(qiáng)度和剛度均滿足設(shè)計(jì)要求，該鋁合金儲(chǔ)水箱的設(shè)計(jì)是安全的，設(shè)計(jì)方案是可行的。

4 產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)與市場(chǎng)分析

4.1 相比于傳統(tǒng)儲(chǔ)水箱優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)儲(chǔ)水箱多采用不銹鋼板或熱鍍鋅鋼板通過(guò)整體焊接或單元模塊螺接構(gòu)成，內(nèi)部通常有焊接骨架，其特點(diǎn)是質(zhì)量好、價(jià)格低，但重量大，不易運(yùn)輸和裝拆。而鋁合金儲(chǔ)水箱采用多單元構(gòu)件螺接組成，并通過(guò)設(shè)計(jì)獲得力學(xué)性能較好的型材截面，提高了儲(chǔ)水箱的安全性；同時(shí)鋁合金儲(chǔ)水箱外部設(shè)有二層背楞保護(hù)構(gòu)件，代替?zhèn)鹘y(tǒng)儲(chǔ)水箱內(nèi)部骨架，可節(jié)省儲(chǔ)水箱內(nèi)部空間。此外，鋁合金的密度約為鋼材的1/3，可大大降低儲(chǔ)水箱的重量。

4.2 市場(chǎng)分析

在經(jīng)濟(jì)環(huán)境較為疲軟的今天，儲(chǔ)水系統(tǒng)的市場(chǎng)表現(xiàn)還是不錯(cuò)的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014-2018年儲(chǔ)水系統(tǒng)的全球收入一直保持增長(zhǎng)，平均增長(zhǎng)速率為3.94%，2018年已達(dá)到29.83億美元，預(yù)計(jì)到2022年會(huì)達(dá)到34.82億美元。而儲(chǔ)水箱作為儲(chǔ)水系統(tǒng)的重要組成部分，其收入正以每年4.6%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2022年，全球市場(chǎng)規(guī)模將從2019年的3.38億美元增長(zhǎng)到3.87億美元。

在下游市場(chǎng)，隨著住宅和商業(yè)市場(chǎng)的迅速增長(zhǎng)，我國(guó)作為經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的人口大國(guó)，儲(chǔ)水箱的消耗量自然會(huì)不斷增加，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)前景樂(lè)觀。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)確定儲(chǔ)水箱的外形尺寸和材料設(shè)計(jì)出一款鋁合金儲(chǔ)水箱，并通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及計(jì)算分析驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案是可行的。按本設(shè)計(jì)方案生產(chǎn)出的鋁合金儲(chǔ)水箱箱體和箱底的強(qiáng)度和剛度均滿足設(shè)計(jì)要求。

（1）儲(chǔ)水箱箱體的最大應(yīng)力和位移分別為0.11 MPa和2.54 mm，未超過(guò)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）儲(chǔ)水箱箱底的最大應(yīng)力和最大位移為165.8 MPa和4.72 mm，未超過(guò)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。