鉚釘結(jié)構(gòu)材料非線性分析

陳大漢 趙杰

安徽省建筑工程質(zhì)量第二監(jiān)督檢測站，中國·安徽 合肥 230000

1 引言

在鉚釘結(jié)構(gòu)使用時非線性特征明顯，對結(jié)構(gòu)材料非線性分析具有重要意義?；诖?，專家學(xué)者對鉚釘結(jié)構(gòu)受力性能及非線性特性做了一系列研究。蘇明周[1]等人在預(yù)緊力以及抗剪承載力兩方面研究了栓群效應(yīng)對于環(huán)槽鉚釘連接的縱向接縫承載力的影響。Christophe[2]探索了一種使用創(chuàng)新碳纖維增強聚鉚釘?shù)奶娲o固解決方案。法洋洋[3]提出混合失效準則研究鉚釘結(jié)構(gòu)的破壞機理。上述研究對鉚釘結(jié)構(gòu)材料非線性的探索十分有限，論文基于ANSYS對鉚釘結(jié)構(gòu)進行材料非線性分析，通過建立有限元模型進行結(jié)構(gòu)模態(tài)、靜力和非線性分析，以此研究材料非線性對結(jié)構(gòu)模態(tài)、位移和應(yīng)力的影響。

2 結(jié)構(gòu)模型

論文選取硬度高、防銹耐腐蝕的半空心鉚釘作為研究對象，由凸頭、桿體和盲孔三部分組成，結(jié)構(gòu)實物和尺寸如圖1所示。文中采用ANSYS的GUI操作直接進行建模，模型均為Solid 185單元，材料為鋼材，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.30，密度為7850kg/m3，屈服強度為345MPa。

圖1 半空心鉚釘結(jié)構(gòu)實物和尺寸圖

3 靜力分析

3.1 模態(tài)分析

表1為ANSYS計算鉚釘結(jié)構(gòu)前4階模態(tài)的自振特性，分析可知：1階固有頻率小于2Hz，最大變形量為1.42mm；第2、3和4階固有頻率相差較大，表現(xiàn)為鉚釘前端的較大變形，最大變形量為1.48mm。

表1 結(jié)構(gòu)自振特性參數(shù)

3.2 靜力結(jié)果分析

由靜力計算可知，鉚釘結(jié)構(gòu)最大總位移為3.02mm，在桿體盲孔頂端截面處。結(jié)構(gòu)最大Y向位移為3.00mm，表明結(jié)構(gòu)變形以Y方向變形為主。第一和第三主應(yīng)力云圖均沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，對結(jié)構(gòu)較為有利，最大壓應(yīng)力分別為105.05MPa和51.64MPa，均分布在桿端位置。

4 非線性分析

4.1 基本概念與原理

在ANSYS有限元分析時，原彈性矩陣是有關(guān)應(yīng)變和位移的函數(shù)。分析結(jié)構(gòu)非線性問題主要有3類方法：增量法、迭代法和最小化法，由于迭代法計算結(jié)果比較精確，適用高度非線性問題，本文采用此類方法，其原理為：

由于結(jié)構(gòu)的剛度矩陣是幾何變形的函數(shù)，設(shè)結(jié)構(gòu)幾何變形為λ，結(jié)構(gòu)的平衡方程為一非線性方程組，即式（1），其中，K為結(jié)構(gòu)剛度矩陣，R為結(jié)構(gòu)抗力。

4.2 計算結(jié)果分析

鉚釘結(jié)構(gòu)非線性計算結(jié)果位移和應(yīng)力云圖分別如圖2所示。前2步的最大位移分別是1.81mm和1.42mm，前2步的最大應(yīng)力分別為68.6MPa和51.09MPa，最大位移和應(yīng)力均出現(xiàn)在桿體盲孔處且前2步變形和應(yīng)力情況較相似，變形和應(yīng)力由桿體和凸頭連接位置到桿體盲孔斷面逐漸增大，表明結(jié)構(gòu)變形最危險位置為盲孔處的桿體，造成此現(xiàn)象的主要原因為孔洞的出現(xiàn)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中。

圖2 非線性不同荷載步位移和應(yīng)力云圖

5 結(jié)論

論文基于ANSYS對鉚釘結(jié)構(gòu)進行材料非線性分析，研究發(fā)現(xiàn)：

①結(jié)構(gòu)最大總位移和Y向位移分別為3.02mm和3.00mm，主應(yīng)力云圖均無拉應(yīng)力分布。

②結(jié)構(gòu)非線性變形和應(yīng)力分布均由桿體和凸頭連接位置到桿體盲孔斷面逐漸增大。

③由于盲孔的設(shè)置造成應(yīng)力集中，結(jié)構(gòu)最危險位置在桿體盲孔斷面周圍。