鋁合金模板BP接頭拓?fù)湓O(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證

周軍勇，胡謙謙，李 偉，楊凱峰

(廣東博智林機(jī)器人有限公司，廣東 佛山 528311)

鋁模板相比傳統(tǒng)模板，具有標(biāo)準(zhǔn)化程度高、重量輕、承載能力強(qiáng)、周轉(zhuǎn)次數(shù)高、回收價(jià)值高等特點(diǎn)的綠色新型建筑產(chǎn)品，目前在國(guó)內(nèi)發(fā)展迅速，建筑市場(chǎng)需求量日益增加，對(duì)鋁模板產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)及改進(jìn)也越來(lái)越受到重視。傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程中，研發(fā)工程師參照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)模板荷載走向分步對(duì)模板各部分構(gòu)件的抗彎強(qiáng)度及最大彎矩進(jìn)行推導(dǎo)驗(yàn)算。此驗(yàn)算方式基本上能保證模板使用性能，但無(wú)法直觀評(píng)定各構(gòu)件受力變化，如應(yīng)力的分布、各部分變形量的大小等[1]。

目前，很多學(xué)者[2-5]對(duì)鋁模板體系力學(xué)模型及力學(xué)性能方面進(jìn)行了大量的理論和試驗(yàn)的研究。但是我們國(guó)家在鋁模板的工程應(yīng)用方面仍處于起步階段，鋁合金模板在國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用只是幾年的時(shí)間，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法主要以理論計(jì)算、簡(jiǎn)單的有限元及試驗(yàn)相結(jié)合來(lái)開(kāi)展，已經(jīng)很難適應(yīng)日益嚴(yán)格的設(shè)計(jì)要求[6]。解決這一問(wèn)題的主要途徑是采用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，尋求材料的最優(yōu)分布，設(shè)計(jì)出輕量化高強(qiáng)度的產(chǎn)品。

為此，本文以某項(xiàng)目樓面關(guān)鍵件鋁模板BP接頭(型號(hào)為：200 mm×200 mm)為研究對(duì)象，建立了BP接頭有限元模型，并對(duì)BP接頭進(jìn)行靜力學(xué)分析，找出結(jié)構(gòu)的主要薄弱環(huán)節(jié)，然后基于Optistuct脫模約束函數(shù)[7]的BP接頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，通過(guò)對(duì)優(yōu)化后結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新建模仿真分析，將有限元結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，從而驗(yàn)證了本文采用的有限元數(shù)值模擬方法的可行性。

1 建立BP接頭有限元模型

1.1 有限元模型

樓面鋁模板BP接頭模型主要包括：BP接頭、鋁合金模板、支撐系統(tǒng)及插銷等零部件。對(duì)鋁模板BP接頭CAD模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化與等效修改，如去除細(xì)微特征，如倒角、圓角、小凸臺(tái)等；保留影響B(tài)P接頭強(qiáng)度的主要結(jié)構(gòu)。將建立好的CAD模型導(dǎo)入到有限元前處理軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中實(shí)體部分主要采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，殼體部分主要采用四節(jié)點(diǎn)殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共計(jì)207 162個(gè)網(wǎng)格，有限元模型如圖1所示。

1.2 連接單元模型

鋁模板BP接頭連接方式，可分為兩種形式：一種是鋁模板與BP接頭通過(guò)銷釘相連接(如圖1中①,③,④所示)；另一種是BP接頭與支撐通過(guò)接觸面相連(如圖1中②,③所示)。

采用HperWorks軟件中的CBEAM單元來(lái)模擬零部件間銷釘連接作用，如圖1中④所示，基于部件實(shí)體定義模型接觸類型，各部件面和面接觸采取contact約束，如圖1中②與③之間接觸，從而建立有限元模型。

1.3 載荷的確定

依據(jù)JGJ 162—2008建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范中樓面模板載荷組合如表1所示。

模板及支架的荷載基本組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值，可按下式計(jì)算：

(1)

其中，SGiK為第i個(gè)永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的效應(yīng)值；SQjK為第j個(gè)可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的效應(yīng)值；α為模板及支架的類型系數(shù)，對(duì)底面模板，取1.0；ψcj為第j個(gè)可變荷載的組合值系數(shù)，宜取ψcj≥0.9。

荷載標(biāo)準(zhǔn)值：模板自重G1k=0.15 kN/m2，混凝土自重G2k=γc×0.15=3.6 kN/m2(γc取24 kN/m3)，鋼筋自重G3k=K×0.15=0.165 kN/m2(樓板自重K取1.1 kN/m3)，施工荷載標(biāo)準(zhǔn)值Q1k=2.5 kN/m2(取2.5 kN/m2)，以上系數(shù)取值參照GB 50666附錄A。

因此，按照式(1)計(jì)算承載能力荷載P1=8.44 kN/m2，驗(yàn)算撓度荷載P2=3.92 kN/m2,取模板面積1.44 mm2為計(jì)算范圍，且采用極限承載力法計(jì)算。

1.4 材料屬性及邊界條件的施加

BP接頭系統(tǒng)主要零件如鋁合金模板、BP接頭等的材料選用AL6061_T6；其他部件如銷釘、支架選用Q235，其材料屬性如表2所示。

表2 主要零部件的材料屬性

邊界約束條件：模擬真實(shí)的BP接頭支撐情況，由于支架是固定在地面上，因此，在有限元模型中，約束B(niǎo)P接頭底部相對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)處全部自由度，模板四周采用對(duì)稱約束，載荷施加如圖2所示。

2 BP接頭靜力學(xué)分析及拓?fù)鋬?yōu)化

2.1 靜力學(xué)分析

對(duì)BP接頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)計(jì)算，可以分析結(jié)構(gòu)的剛度及應(yīng)力分布狀況。采用Optistruct求解器進(jìn)行靜力學(xué)計(jì)算，位移及應(yīng)力云圖如圖3，圖4所示。

由圖3,圖4可知，BP接頭最大位移為1.67 mm，超出最大0.8 mm(規(guī)范規(guī)定不大于L/250);最大應(yīng)力為897.1 MPa，發(fā)生在加強(qiáng)筋位置處，超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度(材料6061_T6的屈服強(qiáng)度為250 MPa)。

2.2 拓?fù)鋬?yōu)化

原結(jié)構(gòu)質(zhì)量重(1.62 kg)，結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力嚴(yán)重超標(biāo)，因此對(duì)BP接頭進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，為了使結(jié)構(gòu)更易于實(shí)施加工工藝，并在使用的材料最少的條件下能滿足BP接頭達(dá)到最小柔度(即應(yīng)變能最小)的目標(biāo)，本文采用了基于體積控制，使用拔模方向約束，達(dá)到整體加權(quán)應(yīng)變能最小目標(biāo)的優(yōu)化方法。

在Hypermesh中完成對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化的前處理過(guò)程，對(duì)體積分?jǐn)?shù)約束，脫模方向約束，優(yōu)化響應(yīng)及優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行設(shè)置。四根深色(紅色)區(qū)域的加強(qiáng)筋為設(shè)計(jì)區(qū)域(如圖5所示)，其他為非設(shè)計(jì)區(qū)域，其中定義脫模方向，選擇脫模方式為從中心面向兩側(cè)的雙側(cè)脫模，將體積分?jǐn)?shù)約束上限設(shè)置為10%，應(yīng)力約束上限設(shè)置為170 MPa，位移約束上限設(shè)置為0.5 mm,且將柔度定為最小優(yōu)化目標(biāo)。

在經(jīng)過(guò)30次迭代后，計(jì)算結(jié)果收斂，將單元密度閾值設(shè)置為0.3，得到了BP接頭拓?fù)鋬?yōu)化后的模型，如圖6所示。

2.3 BP接頭優(yōu)化后分析

在經(jīng)過(guò)修正后，根據(jù)對(duì)加工工藝的理解，重建CAD模型(質(zhì)量為1.32 kg)，并對(duì)優(yōu)化后結(jié)構(gòu)重新建立有限元模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，計(jì)算結(jié)果如圖7,圖8所示。

由圖7,圖8可知，優(yōu)化后BP接頭最大位移為0.36 mm，小于0.8 mm(規(guī)范規(guī)定不大于L/250)，最大應(yīng)力為150.8 MPa，發(fā)生在銷釘孔位處，小于材料的屈服強(qiáng)度(材料6061_T6的屈服強(qiáng)度為250 MPa)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)CAE仿真結(jié)果，選取測(cè)試樣機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)附近，有條件粘貼應(yīng)變片的區(qū)域作為測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖9所示。

BP接頭測(cè)試模型(如圖10所示)進(jìn)行重新建模仿真分析，將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，如表3所示。

表3 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由于實(shí)驗(yàn)條件所限，實(shí)驗(yàn)未測(cè)出BP接頭的點(diǎn)3處的應(yīng)力，但所測(cè)出的點(diǎn)1、點(diǎn)2、點(diǎn)4、點(diǎn)5、點(diǎn)6處的應(yīng)力值與計(jì)算值的誤差在±10%之內(nèi)。

4 結(jié)論

1)通過(guò)仿真模擬，BP接頭從原來(lái)的1.62 kg降至1.32 kg，減重率達(dá)18.8%。

2)BP接頭位移從1.08 mm降至0.38 mm，最大應(yīng)力從355 MPa降至150 MPa，均滿足規(guī)范要求。

3)通過(guò)對(duì)優(yōu)化后BP接頭結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與試驗(yàn)對(duì)比，誤差在±10%左右，驗(yàn)證了建模的準(zhǔn)確性。