鋼板折彎型對接扣件的設(shè)計與優(yōu)化

卿啟維,　王　凱,　封靜敏

(西安理工大學(xué) 機械與精密儀器工程學(xué)院, 西安 710048)

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鋼板折彎型對接扣件的設(shè)計與優(yōu)化

卿啟維,王凱,封靜敏

(西安理工大學(xué) 機械與精密儀器工程學(xué)院, 西安 710048)

市售的對接扣件大都是由兩個半圓的環(huán)扣鉸接,采用螺栓、螺母將扣件和鋼管固定的形式,缺陷較多,威脅到施工的安全。依據(jù)EN-74標準,提出一種用楔形裝置實現(xiàn)快速鎖緊的鋼板折彎型對接扣件,建立該扣件的實體模型、有限元模型,依照EN-74標準的相關(guān)技術(shù)要求,對扣件的抗彎強度進行有限元數(shù)值模擬。探明了扣件抗彎強度與楔形塊位移之間的關(guān)系;指出提高扣件技術(shù)等級的優(yōu)化方向。結(jié)果表明:設(shè)計的對接扣件的抗彎強度符合技術(shù)要求,當(dāng)對接扣件預(yù)緊,楔形塊位移為4 mm時,同時在鋼管兩端施加4 650 N的壓力,扣件變形量為2.872 mm，遠遠小于5 mm，可以滿足EN-74標準要求。

鋼管; 鋼板折彎型對接扣件; 抗彎強度; 楔形塊

0　引　言

建筑業(yè)是我國經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè),它的高速發(fā)展也為扣件行業(yè)提供了廣闊的空間。但國內(nèi)扣件的生產(chǎn)與使用并不規(guī)范,由于扣件質(zhì)量原因而引起的傷亡事故時有發(fā)生。針對這一問題,筆者對市場上的對接扣件做了大量的抗彎特性實驗[1-7],大多不符合EN-74標準?；诖?筆者設(shè)計一種新型的鋼板折彎型對接扣件,利用有限元方法對這種鋼板折彎型對接扣件進行抗彎特性的分析與判定,希望能為該產(chǎn)品的批量生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1　模型建立與參數(shù)設(shè)定

1.1鋼板折彎型對接扣件實體模型

根據(jù)EN-74標準提出的技術(shù)要求,設(shè)計了新型的鋼板折彎型對接扣件。其結(jié)構(gòu)采用斜楔式滑塊鎖緊結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)對接扣件的螺栓、螺母鎖緊結(jié)構(gòu);采用鍛造件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鑄造件。

經(jīng)過力學(xué)分析,扣件基本達到EN-74標準的要求。為了進行精確設(shè)計和優(yōu)化,建立了扣件的實體模型,進行力學(xué)特性研究。用PRO/E軟件,建立鋼板折彎型對接扣件的三維實體模型,模型如圖1a所示。根據(jù)鋼板折彎型對接扣件抗彎強度實驗方案,建立對接扣件抱緊兩鋼管時的三維實體模型,模型如圖1b所示。其中鋼管外徑是48.3 mm,壁厚3 mm,符合國際標準。

圖1　鋼板折彎型扣件的建模Fig. 1　Modeling sleeve plate bending type coupler

1.2實體模型的簡化

建模過程中,為了有效地提高計算效率,在不影響全局計算結(jié)果的情況下,對扣件局部細微結(jié)構(gòu)進行合理簡化。首先,忽略扣件的圓角、倒角,以防止在劃分網(wǎng)格時出現(xiàn)單元形狀不好,網(wǎng)格質(zhì)量差的警告;其次,把對接扣件中的點面接觸和線面接觸,改為面面接觸,這樣可以減少其應(yīng)力集中,以便在后續(xù)的接觸分析計算中能盡快地收斂;最后,根據(jù)扣件的對稱性,在建模時只需建立一半的實體模型,不僅提高了建模的速度，還提高了網(wǎng)格劃分的效率。

1.3參數(shù)的設(shè)定

對接扣件所有材料均采用Q235冷軋鋼材。在有限元分析中Q235冷軋材料的常用參數(shù)主要包括密度ρ、彈性模量Ε、泊松比μ、屈服強度σs、抗拉強度σt、延生率δb等,常溫下材料的參數(shù)如表1所示。

（2）大縱坡橋梁應(yīng)該結(jié)合工程的實際情況，選擇合適的施工位置，并且根據(jù)曲線行駛的特點來實施分聯(lián)布置縮短尺寸。

表1　零件材料的常溫物理機械性能參數(shù)Table 1　Physical and mechanical properties at room temperature parameters of parts and materials

2　有限元模型與網(wǎng)格細化

2.1有限元模型

將簡化對接扣件抱緊鋼管的三維實體模型導(dǎo)入Ansys,選用三維實體網(wǎng)格 (六面體、四面體、混合網(wǎng)格) 對扣件及鋼管進行網(wǎng)格劃分,生成六面體主導(dǎo)的網(wǎng)格并有三棱柱、金字塔、四面體單元作為過渡。六面體網(wǎng)格是有限元計算中效率最高、精度最好的網(wǎng)格形式。

網(wǎng)格劃分時,參數(shù)選擇必須合理,網(wǎng)格過粗可能導(dǎo)致計算結(jié)果發(fā)生嚴重的錯誤;網(wǎng)格過密會延長計算時間,甚至不能運行。文中采用自由網(wǎng)格、映射網(wǎng)格、掃掠網(wǎng)格的混合網(wǎng)格劃分。首先,把扣件三維實體模型用面分割成一個個規(guī)格的六面體模型和不規(guī)則的實體模型;然后,進行布爾Glue操作。規(guī)則的六面體模型采用映射網(wǎng)格的方法劃分,不規(guī)則的實體模型采用自由網(wǎng)格的方法劃分,鋼管采用掃掠網(wǎng)格的方法劃分。這樣,劃分的網(wǎng)格更加規(guī)則,數(shù)量更少;可以提高計算效率。整個有限元模型包括 128 761個節(jié)點和72 453個單元。鋼板折彎型對接扣件模型網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖 2 所示。

圖2　模型的網(wǎng)格劃分Fig. 2　Mesh model

2.2局部區(qū)域網(wǎng)格細化

在有限元分析中,為了提高楔形塊與扣件殼體接觸部位的計算精度,對該接觸區(qū)域的網(wǎng)格進行調(diào)整。調(diào)整方法是對該區(qū)域的網(wǎng)格進行細化處理,創(chuàng)建細化點,通過設(shè)置參數(shù)對細化點附近的網(wǎng)格進行細化。有限元模型接觸部位細化后,大大提高了計算的精度和計算的收斂性。鋼板折彎型對接扣件模型網(wǎng)格強細化結(jié)果如圖 3所示。

圖3　模型的網(wǎng)格細化Fig. 3　Mesh refinement model

3　有限元模型的約束和載荷

3.1預(yù)緊力

設(shè)計的對接扣件采用斜楔式滑塊鎖緊機構(gòu),為了使腳手架和扣件可靠固定,必須在斜楔上施加一定的預(yù)緊力。傳統(tǒng)扣件采用的是螺栓連接,需在螺栓上施加緊固扭力矩40 N·m[8-12]。根據(jù)螺栓連接扭力設(shè)計公式可得到扣件抱緊鋼管時的預(yù)緊力為1.67×104N。楔形塊在扣緊時要能夠自鎖,因此楔形塊傾斜角必須小于其摩擦角,設(shè)計楔形塊傾斜角為8°。根據(jù)其傾斜角度,經(jīng)過力學(xué)分析與計算,為了能夠得到大于1.67×104N的預(yù)緊力,楔形塊位移量應(yīng)大于3 mm。文中直接在斜楔構(gòu)件的大端面上施加多個位移邊界條件,取其位移值分別為4、6、8、10 mm,剛度設(shè)為8.3×103N/mm。獲得不同預(yù)緊力下對接扣件的位移變形云圖。根據(jù)位移變形云圖判斷對接扣件是否符合EN-74相關(guān)標準。找出在相同的抗彎力矩作用下,楔形塊位移與扣件整體變形位移變形量之間的關(guān)系。

3.2約束條件

對接扣件抗彎實驗原理如圖4。根據(jù)EN74-1∶2005表8,當(dāng)彎矩M加大到1.4 kN·m也就是當(dāng)b等于300 mm時,P達到9.3 kN,Δ4≤5 mm,扣件抗彎質(zhì)量合格,否則為不合格。

圖4　抗彎實驗原理Fig. 4　Bending principle

為了簡化運算,考慮到扣件模型的對稱性,軟件模擬時,只在扣件中間截面選了4個固定不動點,鋼管的兩端各一個點承受彎矩,如圖5所示。仿真內(nèi)容只關(guān)心兩側(cè)端點的整體變形量,看其能否達到EN74標準,暫不關(guān)心該點的受力情況。因此,仿真結(jié)果中這些局部的受力點載荷均已超出其屈服極限。

圖5　位移約束與加載Fig. 5　Displacement constraints and loading

在實體件實驗中,兩側(cè)的受力是面載荷,中間位置也是面載荷,因而不會出現(xiàn)零件局部載荷超過屈服強度的問題。

3.3接觸問題

對接扣件模型是組合體,因此,它不可避免地存在接觸問題。在Ansys分析中,Ansys不會直接讀出組合體的關(guān)系,它默認組合體零件之間是分開的,所以將扣件模型導(dǎo)入Ansys后必須進行布爾add或glue操作,將無相對移動的零件合并在一起,將有相對移動的零件用接觸對連接起來。

為了使分析的結(jié)果和實際相吻合,采用Contact 向?qū)Ы⒔佑|時,首先建立接觸單元,然后再建立接觸對,最后設(shè)置接觸基本參數(shù),即計算方法、接觸剛度、接觸容差、摩擦系數(shù)等。

計算方法采用擴展拉格朗日乘子法,其中關(guān)鍵參數(shù)接觸剛度(FKN),它越小越容易收斂,但精度不好;若FKN越大,則穿透越小,計算精度會越高。因此，在第一次計算收斂后,將FKN改大些,再重新計算,直到得到一個準確的結(jié)果。

接觸中有小位移、小滑移發(fā)生,接觸問題也屬于非線性問題,Ansys 線性分析模塊在采用擴展拉格朗日乘子法模擬此類接觸時,內(nèi)部進行多次迭代運算以搜索接觸的平衡狀態(tài)。扣件型模的接觸問題主要存在于三個方面,一是楔形塊上表面與圓鋼件的外表面,二是斜楔塊下表面與對接扣件殼體表面,三是對接扣件殼體內(nèi)表面與兩鋼管外表面之間。

前兩者其接觸類型都為面-面接觸,面接觸行為屬于標準的有摩擦接觸,摩擦系數(shù)為0.12。FKN選0.1,接觸容差選0.1。

對接扣件殼體內(nèi)表面與兩鋼管外表面之間的接觸,也是面-面接觸,但考慮到鋼管外表面有鍍鋅層,摩擦系數(shù)設(shè)為0.11。因為這一接觸區(qū)域的計算更容易收斂,為了得到更精確的計算結(jié)果,FKN設(shè)為1.0,接觸容差選0.05。

3.4載荷施加

鋼板折彎型對接扣件是安裝在腳手架上的,雖然其自身重力的作用下會產(chǎn)生一定的載荷,但與其外部施加的載荷相比,扣件模型的重力荷載可以忽略不計。

根據(jù)EN-74標準,須對扣件鋼管兩端施加4 650 N的壓力[1],扣件中間固定不動。仿真時,壓力方向與扣件縫口垂直;扣件預(yù)緊力必須要達到1.67×104N。根據(jù)楔形塊的長度和傾斜角,在斜楔滑塊上分別施加4、6、8、10 mm的位移,載荷子步均設(shè)定為20步。位移的方向為斜楔塊與圓鋼件接觸面的切線方向。

4　仿真結(jié)果分析

鋼管在無承受彎矩且扣件楔形塊位移為4 mm時的等效應(yīng)力,如圖6所示。從圖6的應(yīng)力云圖可以看出,在楔形塊位移為4 mm時產(chǎn)生的預(yù)緊力作用下,對接扣件模型整體應(yīng)力小于230 MPa,小于屈服應(yīng)力極限σs。對接扣件最大應(yīng)力σmax發(fā)生在扣件兩端橫梗與扣件殼體交接處。因此,扣件優(yōu)化時,應(yīng)加大其交接處的厚度或改變材料增加其屈服強度。

圖6　楔形塊10 mm位移的等效應(yīng)力圖Fig. 6　Equivalent sought of wedge 10 mm displacement

當(dāng)楔形塊位移分別為4、6、8、10 mm時,依據(jù)EN74標準,對鋼管兩端施加4 650 N 的壓力載荷,仿真得到x方向的位移變形云圖,如圖7所示。

從圖7可以看出,楔形塊的預(yù)緊位移Δ量不同時,鋼管發(fā)生的最大位移smax均在其兩端,但都小于3 mm,即扣件的位移量Δ4< 3 mm。因此,對于上述幾種預(yù)緊情況,扣件均達到EN74標準5 mm。

楔形塊預(yù)緊時所產(chǎn)生的位移,扣件中間位置承受9 300 N壓力后,產(chǎn)生的整體變形的最大位移,二者參數(shù)見表2。

表2　楔形塊位移與對接扣件最大變形位移Table 2　Sleeve coupler wedge displacement and maximum deformation displacement

由表2可知,當(dāng)楔形塊的預(yù)緊位移量在4～10 mm時,鋼管兩端的最大位移量差別不大,扣件兩側(cè)的位移量差別也不大。但是,隨著楔形塊位移量的增加,其在扣件上產(chǎn)生的應(yīng)力卻快速增大。為了提高扣件的使用壽命,減少其損壞,在預(yù)緊時,楔形塊位移為4 mm即可,不需要過大的位移量。

圖7　鋼板折彎型對接扣件變形圖Fig. 7　Deformation maps of sleeve coupler

5　結(jié)　論

(1)有限元靜態(tài)力學(xué)分析結(jié)果表明,在對楔形塊施加4 mm位移條件下,鋼板折彎型對接扣件最大應(yīng)力處于230 MPa 以下,最大應(yīng)力發(fā)生在扣件兩端衡梗與扣件殼體交接處。由此,扣件優(yōu)化時,應(yīng)加大其交接處的厚度,或改變形狀,或更換材料,提高其屈服強度。

(2)鋼板折彎型對接扣件預(yù)緊時,若楔形塊位移4 mm,同時在鋼管兩端施加4 650 N的壓力,得到的扣件變形量Δ4=2.872 mm,小于5 mm，說明該設(shè)計其扣件滿足EN74標準中抗彎性能的要求。

(3)在滿足預(yù)緊要求(1.67×104N)的情況下,預(yù)緊力的增加,對扣件抗彎性能的影響不大,但扣件的應(yīng)力將急劇增大.因此,在預(yù)緊扣件時,不需要施加過大的預(yù)緊力。

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(編輯徐巖)

Design and optimization of sleeve plate bending type coupler

QINGQiwei,WANGKai,FENGJingmin

(School of Mechanical & Precise Instrument, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

This paper is specifically devoted to a novel study motivated by the need to seek an alternative to currently available sleeve couplers consisting typically of two semi-circular buckles hinged by bolts, namely using bolts and nuts to fix couplers and steel pipes, accompanied by a greater number of defects posing threats to the safe production. This study is best performed by designing a device by which to produce fast locking wedge plate bending coupler as specified by EN-74 standard; developing a solid model and finite element model for sleeve coupler; and performing numerical simulation of coupler bending strength applying relevant EN-74 standards-related technical requirements and using finite element method; and gaining a better insight into the relationship between the coupler’s bending strength and wedge’s displacement and thereby providing the optimization direction for improving coupler performance. The results demonstrate that this sleeve plate bending type coupler boasts bending strength up to the technical requirements and EN-74 standard, as when sleeve couplers are pre-tightened, with resultant wedge block displacement of 4 mm and simultaneously they experience deformation of 2.872 mm, significantly less than 5 mm due to the application of pressure of 4 650 N at both ends of steel pipes.

steel; sleeve plate bending type coupler; bending strength; wedge

2014-11-18

卿啟維(1988-),男,四川省自貢人,碩士,研究方向:機電系統(tǒng)測試與智能控制系統(tǒng),E-mail:342052144@qq.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.01.020

TB121

2095-7262(2015)01-0092-05

A