مقدمه:
با نظر به کاربرد گسترده مخازن پلی اتیلنی برای نگهداری مایعات، طراحی مناسب آن از اهمیت بسیاری برخوردار می باشد. لذا هدف از انجام این تحقیق یافتن بهترین الگو برای کفه طرفین در مخازن پلی اتیلنی روی زمین و مدفون با مدلسازی نرم افزاری و تحلیل تنش می باشد. این مخزن با استفاده از جنس پلی اتیلن تولید شده و حاصل پیچاندن یک پروفیل هندسی حول محور مخزن است. برای این موضوع، تاثیر شکل صفحات انتهایی مخازن پلی اتیلنی روی زمین و دفن شده بر میزان تنش و تغییر شکل مخزن و مناسب بودن هر یک مورد بررسی قرار گرفته است. در ادامه با این مقاله از نشاگستر پردیس همراه باشید تا توضیحات بیشتری را در این زمینه ارائه دهیم:
هندسه و شرایط مرزی
هندسه مسئله با استفاده از کشیدن یک مستطیل با حاشیه ضخامت معین و چرخاندن آن حول یک محور ایجاد شده است. میزان طول، عرض و ضخامت پروفیل مستطیلی به ترتیب برابر با mm 120، mm 80 و mm 7 هستند. همچنین قطر در نظر گرفته شده برای دروان هندسه برابر با m 2.5 است. برای ایجاد کفه طرفین این مخزن از دو الگوی تخت و انحنادار برای مقایسه و انتخاب طرح بهتر استفاده شده است. در شکل ۱ در ادامه نمونه هندسه‌ی رسم شده برای مخزن دارای کفه انحنادار بر روی زمین نشان داده شده است. میزان تغییر شکل کفه با هندسه انحنادار برابر با cm 20 طراحی شده است.
برای حل مخازن دفن شده در زیر خاک؛ دامنه خاک ایجاد و ناحیه‌ی حضور خاک مش زده شده است. نمونه دامنه هندسی ایجاد شده برای مخزن دفن شده در شکل ۲ نشان داده شده است.
برای اعمال بار وزن آب با اعمال شتاب گرانش و نیروی هیدرواستاتیکی با چگالی ماده معادل آب این کار صورت گرفته است. در شکل 3 در ادامه نمونه‌ی اعمال بار هیدرواستاتیکی (به صورت فشار) بر روی سطوح داخلی مخزن برای مورد مخزن دارای کفه های تخت نشان داده شده است.
برای حل مسئله از نرم افزار Ansys Static Structural استفاده شده است که مبنای حل معادلات در این نرم افزار Finite Element یا همان المان محدود است.
در شکل زیر در ادامه نمونه شبکه بندی انجام شده بر روی مخزن و نیز خاک به صورت همزمان در یک برش از هر دو نشان داده شده است.
برای اعمال خواص مواد خاک از موارد پیش فرض موجود در نرم افزار انسیس استفاده شده و برای پلی اتیلن مخزن موارد اعمال شده در جدول شماره یک ذکر شده‌اند. البته لازم به ذکر است که میزان مدول واکنشی خاک برابر با Mpa 21700 در نظر گرفته شده است.
جدول ۱- خواص استفاده شده برای مخزن پلی اتیلن
| میزان در نظر گرفته شده | پارامتر مربوط به خواص پلی اتیلن |
| 22 MPa | تنش تسلیم کششی |
| 7.93 MPa | حد تسلیم فشاری |
| 0.45 | ضریب پواسون |
| 200 MPa (50 years), 793 , 943 MPa | مدول یانگ |
میزان مدول یانگ 943 بر اساس متوسط اعداد گزارش شده آزمایشگاه می باشد؛ لذا تحلیل مخازن بر روی زمین با کفه‌های تخت یا منحنی با این عدد مدول یانگ انجام شده است؛ سپس بر اساس آزمایشات و داده‌های به دست آمده از آزمایش لوله انتقال فاضلاب این میزان به 793 اصلاح شده و برای مخزن مدفون دارای کفه های منحنی همچنین حل با مدول یانگ Mpa 200 که در شرایط گذر ۵۰ سال این ماده است نیز گرفته شده است. به دلیل با توجه به اینکه هدف این تحقیق، مقایسه بین شرایط عملکرد دو مخزن با کفه های منحنی و نیز صاف مدول های یانگ در موارد مقایسه یکسان هستند.
نتایج
نتایج به چهار بخش تقسیم خواهند شد. دو قسمت مربوط به مخزن دارای کفه تخت بر روی زمین و دفن شده و دیگری برای مخزن دارای کفه‌های انحنادار خواهند بود.
1–مخزن با کفه‌های صاف بر روی زمین
با توجه به اعداد به دست آمده برای تنش این مخزن کارآیی لازم را برای نگه داری آب بر روی زمین را ندارد.
با دو برابر کردن میزان ضخامت کفه‌های مخزن این تحلیل مجددا صورت گرفته است که این بار تنها در نقاط محدودی در اتصال پایه‌ها تنش از میزان مجاز تجاوز کرده است که به دلیل محدودیت مدل در نشان دادن شرایط دقیق ساخت و اتصال مواد به یکدیگر است. ولی با این حالی هم چنان ضریب اطمینان طراحی در مخرن مقدار کمی را نمایش می‌دهد.
2-مخزن با کفه‌های صاف در زیر زمین
نتایج این حالت قابل قبول بوده و قابل استفاده خواهد بود و تنش بسیار کم است.
3- نتایج مخزن با کفه‌های منحنی بر روی زمین
در مقایسه با مخزن بر روی زمین با کفه‌ها تخت با ضخامت یکسان، محدوده نقاط با تنش بالا در این مخزن کمتر است اما تمرکز تنش بر روی نقاط اتصال بین کفه و بدنه و نیز بین پایه و بدنه مقدار بالایی را نشان می‌دهد. علت این مسئله می‌تواند عدم رعایت شرایط دقیق ساختی در نحوه اتصال بدنه با کفه‌ها در مدلسازی هندسی باشد.
از مقادیر به دست آمده برای ضریب اطمینان نیز مشخص است که تنها در نقاط اتصال بین کفه و بدنه و نیز پایه در پایین میزان این ضریب کاهش یافته است.
۴- نتایج مخزن با کفه‌های منحنی دفن شده زیر زمین
همانطور که از نتایج قابل مشاهده است میزان تنش حاصل شده بر روی مخزن پلی اتیلن بسیار پایین بوده و فاصله زیادی تا مقادیر حد تسلیم ماده دارد. در ابتدا نتایج برای مدول MPa 793 ارائه شده و سپس نتایج برای مدول پلی اتیلن ۵۰ ساله برابر با MPa 200 ارائه خواهد شد.
در شکل زیر میزان جا به جایی کل ارائه خواهد شد. بیشینه این عدد در پایین مخزن و در اتصال بین کفه و بدنه مخزن ارائه شده است.
در ادامه نتایج تغییر شکل کل و تنش برای میزان مدول الاستیسیته (یانگ) برابر با MPa 200 ارائه خواهد شد.
در شکل زیر میزان جا به جایی کل ارائه خواهد شد. بیشینه این عدد در پایین مخزن و در اتصال بین کفه و بدنه مخزن ارائه شده است.
جمع‌بندی و نتیجه‌گیری
در مقایسه بین مخزن با کفه های صاف بر روی زمین و منحنی، مخزن با کفه منحنی تحمل بهتری داشته و علت آن داشتن دفورمیشن (تغییر شکل) کمتر و نقاط کمتر با بیشینه تنش در شرایط برابر مدول اسلاتیسیته و ضخامت کفه بوده و برای کفه منحنی بر روی زمین تنها در نقاط اتصال بین کفه و بدنه و نیز پایه و بدنه به دلیل عدم اعمال دقیق ملاحظات ساخت، نقاط با تنش بالا مشاهده می‌شود. حتی افزایش ضخامت برای مخزن با کفه صاف بر روی زمین با توجه به اعداد تنش حاصله، اصلا توصیه نمی‌شود ولی در مقایسه موارد مدفون، هر دو مخزن قابل استفاده هستند.
