鋁合金護(hù)欄的設(shè)計(jì)與研究

曹善鵬 李 超 鄭雅如 聶鈺昕 孫 ?。ㄟ|寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111003）

1 前 言

最早興起于歐美國(guó)家的鋁合金防護(hù)欄，曾經(jīng)被廣泛的應(yīng)用，同時(shí)也針對(duì)于鋁合金產(chǎn)品制定了相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，相對(duì)于我國(guó)國(guó)情，鋁合金護(hù)欄的使用才剛剛起步，人們此時(shí)還沒(méi)有完全意識(shí)到鋁合金護(hù)欄產(chǎn)品在實(shí)際生活使用中完美且獨(dú)到的方面，在如今的生活中，隨處都能看到護(hù)欄表面銹跡斑斑、嚴(yán)重腐蝕、脆化等現(xiàn)象，這些問(wèn)題嚴(yán)重的污染了現(xiàn)在文明城市的發(fā)展與建設(shè)，同時(shí)存在的安全隱患也時(shí)刻威脅著人們生命財(cái)產(chǎn)的安全。因此鋁合金護(hù)欄節(jié)能環(huán)保，易著色，輕量化等優(yōu)點(diǎn)顯得更為突出，鋁合金護(hù)欄代替?zhèn)鹘y(tǒng)防護(hù)欄的趨勢(shì)勢(shì)在必行，具有前景廣闊的發(fā)展空間。

2 現(xiàn)有護(hù)欄產(chǎn)品分類及對(duì)比

常見(jiàn)的護(hù)欄按材質(zhì)分類，主要有木質(zhì)護(hù)欄、不銹鋼護(hù)欄、鐵藝護(hù)欄、鋁合金護(hù)欄等。其中木質(zhì)護(hù)欄有工藝簡(jiǎn)單污染小的特點(diǎn)，但其材質(zhì)易腐爛、使用壽命短、對(duì)森林資源破壞極為嚴(yán)重等缺點(diǎn)尤為明顯；不銹鋼護(hù)欄雖然有耐腐蝕的特點(diǎn)，但是真正意義上的304不銹鋼護(hù)欄造價(jià)高昂不易廣泛的推廣使用；合金含量低的不銹鋼護(hù)欄產(chǎn)品，抗腐蝕性極差，同時(shí)不銹鋼護(hù)欄不易著色、形狀單一，很難做到和諧搭配；鐵藝護(hù)欄制造成本低，但是使用壽命短，抗腐蝕性差；而鋁合金型材做的護(hù)欄具有性能穩(wěn)定、耐腐蝕性好、強(qiáng)度高、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)[1]，加之更成熟的加工工藝及表面處理技術(shù)，生產(chǎn)出的護(hù)欄產(chǎn)品更為符合當(dāng)今時(shí)代的對(duì)隔離防護(hù)產(chǎn)品的需求。

3 鋁合金護(hù)欄的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋁合金護(hù)欄是由橫梁、立柱、底座、尖角、立桿、立柱、圖樣型件等組成。本產(chǎn)品從設(shè)計(jì)理念上完全符合當(dāng)今時(shí)代對(duì)防護(hù)欄產(chǎn)品外形美觀度的追求。

3.1 鋁合金護(hù)欄的3D模型

基于SolidWorks圖形繪制軟件，設(shè)計(jì)鋁合金護(hù)欄3D模型如圖1所示。

圖1 框架3D模型及其效果

3.2 鋁合金護(hù)欄的工程圖

本產(chǎn)品設(shè)計(jì)上為了追求其嚴(yán)密性與視覺(jué)感官，整體的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，工程圖紙的輸出量很大，為了設(shè)計(jì)的保密性本文只展現(xiàn)整體正視圖及其基本尺寸，如圖2所示。

圖2 鋁合金護(hù)欄外形尺寸示意圖

3.3 鋁合金護(hù)欄的連接方式介紹

鋁合金護(hù)欄采用螺接、插接、焊接相結(jié)合的連接方式，兩側(cè)立柱與中間橫梁通過(guò)U型連接件進(jìn)行連接。其U型連接槽封閉的一端，通過(guò)點(diǎn)焊的方式，固定在立柱相應(yīng)的尺寸位置。另一端的插片通過(guò)螺接的方式與橫梁固定在一起。細(xì)桿部分，通過(guò)插接的方式，插入四根橫梁對(duì)應(yīng)插接孔中。頂端尖角插入細(xì)桿方管頂端，并通過(guò)點(diǎn)焊的方式使其徹底固定。中間花樣與錢幣圖案件，通過(guò)點(diǎn)焊的方式固定在細(xì)桿兩側(cè)。最后兩側(cè)立柱底端通過(guò)焊接的方式固定在底座上。

3.4 鋁合金護(hù)欄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的參考依據(jù)

本護(hù)欄產(chǎn)品在滿足其強(qiáng)度要求、結(jié)構(gòu)要求的情況下，按照GB/T6892-2006《一般工業(yè)用鋁及鋁合金擠壓型材》規(guī)定，本鋁合金護(hù)欄產(chǎn)品采用6061-T5工業(yè)用鋁。

在焊接工藝方面，按照GB/T10858-2008《鋁及鋁合金焊絲》相關(guān)規(guī)定，采用MIG電弧焊，焊接鋁合金護(hù)欄結(jié)構(gòu)件，其中焊絲的材質(zhì)選用5083，立柱與連接件，立桿與鋁合金型件間均選取直徑為1.2mm的焊絲，焊接方式為點(diǎn)焊。立柱與底座焊接處，選取焊絲直徑為2.0mm，焊接方式為滿焊。

本產(chǎn)品在連接件與橫梁上為了避免不必要的鋁合金焊接應(yīng)力，采用螺接的方式進(jìn)行連接，分別按照GB/T5782-2000、GB/T6170《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》采用M12的六角螺栓與螺母進(jìn)行連接。

4 強(qiáng)度驗(yàn)證

4.1 有限元建立

在有限元模型建立中，對(duì)護(hù)欄幾何模型進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化，去除掉一些非承載部件（例如圖樣等），去除部分為美觀優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)整體受力強(qiáng)度影響較小，且不考慮焊接結(jié)構(gòu)的失效問(wèn)題。型件間的連接件采用實(shí)體單元?jiǎng)澐諿2]。

鋁合金護(hù)欄型材選用6061-T5鋁合金，該合金具有加工性能極佳、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)[3]。選用6061-T5鋁合金，可提高結(jié)構(gòu)整體剛度。具體的材料性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 護(hù)欄結(jié)構(gòu)材料屬性

對(duì)護(hù)欄整體進(jìn)行力學(xué)簡(jiǎn)化，將底板所受力簡(jiǎn)化為均布載荷，在實(shí)際應(yīng)用中要求最大為7級(jí)風(fēng)載的作用下，以均布載荷的形式施加在受力桿上。模擬分析鋁合金護(hù)欄在7級(jí)風(fēng)載下的應(yīng)力和變形。

4.2 模擬結(jié)果分析

針對(duì)護(hù)欄特殊情況下的強(qiáng)度要求，并采用Solidworks simulation有限元模擬軟件進(jìn)行強(qiáng)度分析，具體數(shù)據(jù)如表3（a、b）所示,應(yīng)力云圖與位移云圖。

圖3a為鋁合金護(hù)欄在7級(jí)風(fēng)載作用下的應(yīng)力云圖。由圖可見(jiàn)，應(yīng)力集中出現(xiàn)在兩側(cè)立柱底端，最大應(yīng)力為6.467MPa，遠(yuǎn)小于6061鋁合金的屈服強(qiáng)度，其他位置應(yīng)力分布均勻，無(wú)應(yīng)力集中現(xiàn)象，整體強(qiáng)度滿足使用需求。

圖3b為鋁合金護(hù)欄在7級(jí)風(fēng)載作用下的位移云圖。由圖可見(jiàn)，集裝板最大位移發(fā)生護(hù)欄頂端位置，最大位移為9.468mm，滿足產(chǎn)品性能要求。

圖3 風(fēng)載情況下（a）應(yīng)力云圖；（b）位移云圖

5 結(jié) 語(yǔ)

鋁合金護(hù)欄在技術(shù)上不斷改進(jìn)和優(yōu)化，突出了其性能特點(diǎn)，一定會(huì)被越來(lái)越多的適宜環(huán)境所需求。本次設(shè)計(jì)的鋁合金護(hù)欄具備一定的優(yōu)勢(shì)，具體有以下3個(gè)方面：

1）外觀方面

本次設(shè)計(jì)的鋁合金護(hù)欄產(chǎn)品，外觀簡(jiǎn)潔大方，符合二十一世紀(jì)新型防護(hù)隔離產(chǎn)品的實(shí)際需要。同時(shí)先進(jìn)的表面處理技術(shù)，使產(chǎn)品表面更加光滑。

2）功能方面

本產(chǎn)品一般在工廠及小區(qū)周邊使用，起到隔離區(qū)域與保護(hù)人們生命財(cái)產(chǎn)安全的作用，在原有單一樣式的基礎(chǔ)上更加追求護(hù)欄的樣式設(shè)計(jì)，將藝術(shù)性的美感融入其中，符合當(dāng)今時(shí)代的主旋律。

3）材質(zhì)方面

護(hù)欄選用鋁合金型材擁有其他材料無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)、著色效果明顯且不易褪色等優(yōu)點(diǎn)，并且可以較為容易通過(guò)擠壓、切割等方式獲得所需型件，制作工期極為短暫，批量生產(chǎn)能力強(qiáng)。