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鋁合金型材壁厚與材料變形性能的研究

來源:廣亞鋁業有限公司  作者:陳杰,申瑞霞,楊維萍  日期:2013-8-7
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  摘要:GB 5237-2008《鋁合金建筑型材》、GB/T 8478-2008《鋁合金門窗》、JGJ 102-2003《玻璃幕墻工程技術規范》均對相關鋁合金建筑型材的最小壁厚進行了規定,但對如何得到最小壁厚未提供合理的解釋,針對上述問題,本文通過理論計算,并利用有限元仿真軟件ANSYS對鋁合金型材壁厚與材料各種典型變形性能的關系進行了計算分析,并通過對計算結果的討論分析,得出鋁合金型材壁厚與材料變形間相互關系的一些結論,并應用這些結論對上述標準中相關規定的科學性進行了討論。

  由此可見,提高桿件強度的主要措施就從降低最大彎矩M,增大截面抵抗矩W值及充分利用材料性能[σ],其中最大彎矩M的變化主要與載荷作用的位置、方式及支座的位置分布有關,其取決于門窗立面的設計,與型材截面及材料無關,在此不作討論。對型材而言,可通過選擇合理截面,以增大截面抵抗矩W值,桿件的合理截面是指桿件在滿足強度條件的前提下,用較少的材料獲得最大的W值,對于面積A相等而形狀不同的截面,可以用比值W/A作為衡量截面經濟合理的批標,W/A越大,截面就越經濟合理,由于一般截面中,W與其高度的平方成正比,所以,應盡可能地使橫截面面積分布在距中性軸較遠的地方,所以在實際設計中,通過使用加強中梃提高截面的有效慣性矩I和截面抵抗矩W比單純通過中梃增加壁厚經濟合理,從上面的公式還可看出,強度校核中彎曲應力還與材料的性能特性有關,在最大彎矩M和截面抵抗矩W已確定時,可以采用不同的材料或狀態以提高材料的抗彎曲許用應力[σ],對于鋁合金來說,可通過選擇不同的合金牌號,如6063、6063A、6005、6061等,或不同的熱處理狀態,如T5、T6等來提高材料的抗彎曲許用應力[σ]。因此和桿件剛度校核一樣,型材壁厚可通過其變化導致截面抵抗矩W值的變化,從而影響桿件彎曲應力校核的強度條件,增加壁厚不是提高截面抵抗矩W值的最佳途徑,因此型材壁厚不是桿件彎曲應力校核強度條件的決定因素。

  剪切應力校驗依據:τmax=(Q*S)/(I*δ)<=[τ]

  [τ]:材料的抗剪允許應力(N/mm2)

  τmax:計算截面上的最大剪切應力(N/mm2)

  Q:受力桿件計算截面上所承受的最大剪切力(N)

  S:材料面積矩(mm2)

  I:材料慣性矩(mm^4)

  δ:腹板的厚度(mm)

  從上式可見,剪切應力除和型材截面參數,如慣性矩I、面積矩S及材料特性[τ]有關外,還和型材腹板的壁厚δ成反比,也就是說增加型材腹板壁厚δ可以減小計算截面上的最大剪切應力τmax,因此型材壁厚不是桿件剪切應力校核強度條件的決定因素之一,但一般材料的抗剪允許應力[τ]遠小于抗彎曲允許應力[σ],如鋁合金材質6063-T5的[σ]=85.5MPa,[τ]=49.6MPa,[τ]=0.58[σ],所以一般彎曲應力校驗能通過的,剪切應力也能通過,故可省略。

  故對于型材桿件的剛度和強度校核而言,其主要與型材的截面參數如慣性矩I、抵抗矩W等有關,其由截面形狀決定,增加型材壁厚是提高截面參數的一種方法,但不是最佳方法,最好的途徑是應盡可能地使橫截面面積分布在距中性軸較遠的地方,即在保證剛度和強度的前提下,盡可能減小I/A或W/A,這樣型材截面在承載能力和剛度和強度上能保證合理性和經濟性,達到最大的性價比;另外強度校核還右充分利用材料的性能特性,在型材截面確定的前提下,通過選擇不同的合金牌號或熱處理狀態,提高材料的抗彎曲允許應力[σ],從而滿足桿件的強度條件。故只有在型材的截面和合金狀態確定后,壁厚的增減才是關鍵因素,從而影響桿件的強度和剛度。

  以下為使用ansys有限元仿真模擬對型材剛度及強度的計算:

  [σ]:材料的抗彎曲允許應力(N/mm2)

  桿件計算長度:2000mm

  型材一:

  變形最大fmax =4.856mm

  彎曲應力最大σmax =73.15Mpa

 

  型材二:

  變形最大:fmax =3.698mm

  彎曲應力最大:σmax =54.79Mpa

 
 
 

  型材三:

  變形最大:fmax =2.745mm

  彎曲應力最大:σmax =52.66MPa

  分析以上計算結果,增大型材壁厚可以增加型材截面參數I和W,從而提高桿件的剛度和強度,從而提高型材的抗變形能力(如型材二),但在不改變型材一壁厚的前提下,改變截面且把截面積盡可能加在遠離中性軸的地方(型材三),型材三的截面積與型材二基本一致,但其慣性矩I和 截面抵抗矩W遠大于型材二,而計算結果顯示,型材三抗變形能力遠高于型材二,故在型材截面積相同即重量線密度相同的情況下,型材三截面更為科學,也說明增加型材壁厚不是提高桿件剛度和強度的最有效手段。

  但構件承載能力的三個內容中,還有一個穩定性的問題,對于橫向受力桿件,受彎薄壁梁的截面存在局部失穩的問題,為防止產生壓應力區的局部屈曲,需采取一些方法加以控制,彈性薄板在均勻受壓下的穩定臨界應力可由下式計算:

  式中:E—— 彈性模量;

  t —— 截面厚度

  v—— 泊松比

  —— 截面寬度

  —— 彈性屈曲系數,自由挑出部位(邊界條件視為三邊簡支、一邊自由)取0.425,雙側加勁部位(邊界條件視為四邊簡支)取4.0。

  由上式可得到型材截面的寬厚比要求,即:

  式中: f—— 型材強度設計值,對于6063-T5鋁合金材質:

  對于6063-T6鋁合金材質:

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