鋁合金圓管受彎構(gòu)件數(shù)值分析

姜陸彬　（合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽　合肥　230009）

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鋁合金圓管受彎構(gòu)件數(shù)值分析

姜陸彬（合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽合肥230009）

簡述了鋁合金圓管受彎構(gòu)件的數(shù)值模擬研究，通過運(yùn)用有限元軟件ANSYS對鋁合金圓管受彎構(gòu)件進(jìn)行了分析。在有限元模型中，考慮了試件的幾何非線性和材料非線性，試件兩端承受簡支邊界條件，對試件跨中施加一個豎向面荷載。為了獲得不同試件的極限荷載，本次模擬共模擬了34個試件，兩種直徑，三種跨度，七種截面厚度。通過參考直接強(qiáng)度法，采用系數(shù)折減法，提出了關(guān)于鋁合金圓管受彎構(gòu)件直接強(qiáng)度法計算公式，并與有限元結(jié)果進(jìn)行了對比。

鋁合金；圓管；受彎構(gòu)件；數(shù)值分析

0　引言

鋁合金作為一種新型的建筑材料，由于其質(zhì)量輕、密度小、外形美觀、耐腐蝕性好、低溫韌性好、可擠壓成型、可循環(huán)利用等優(yōu)點[1]，在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用越來越廣泛，尤其是2007年我國制訂了《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[2]，更加推動了鋁合金在我國建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

鋁合金構(gòu)件作為一種新的結(jié)構(gòu)形式，是由鋁合金材料制造而成，其基本構(gòu)件的力學(xué)性能有很多與鋼結(jié)構(gòu)相似[3]，但又有些許不同，如鋁合金的比強(qiáng)度高、彈性模量低、溫度變形大等，因此不能照搬鋼結(jié)構(gòu)的計算公式，因此國內(nèi)外各大高校和科研單位展開了對鋁合金結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件的力學(xué)性能的研究。目前國內(nèi)外對鋁合金軸壓構(gòu)件的研究比較深入和廣泛[4-8]，而對鋁合金受彎構(gòu)件，國內(nèi)這方面的研究才剛起步。而對于鋁合金開孔受彎構(gòu)件，尤其是圓管受彎構(gòu)件的研究，在國內(nèi)是沒有的。

1　有限元模型

1.1單元類型和網(wǎng)格尺寸

本文采用SHELL181單元來模擬管材，此單元為4節(jié)點殼單元，每個節(jié)點具有六個自由度，適合用來分析厚度較薄或中等厚度的殼體結(jié)構(gòu)。對模型網(wǎng)格尺寸的劃分，本文采用映射網(wǎng)格劃分法，每個網(wǎng)格尺寸均為10mm。

1.2材料本構(gòu)模型

在本次有限元模型中，所采用的鋁合金材性數(shù)據(jù)來自ZHU[9]所做的材性試驗。在進(jìn)行有限元求解時，采用了大變形分析，產(chǎn)生了較大的應(yīng)變，因此，應(yīng)采用如下公式將測量得到的應(yīng)力應(yīng)變轉(zhuǎn)換成真實的應(yīng)力應(yīng)變值：

其中σeng和εeng分別為實驗測量得到的應(yīng)力應(yīng)變值。

1.3邊界條件和模型加載

試件的兩端承受簡支邊界條件，如圖1所示。在試件的跨中施加豎向的面位移荷載。

圖1　邊界條件

1.4模型參數(shù)

本次研究的試件模型均由圓管截面組成，圓管截面外徑d0為100mm和150mm，厚度t0從2.5mm變化到5.5mm，試件長度為1500mm、2000mm和2500mm。

2　數(shù)值結(jié)果分析

通過對數(shù)值模擬結(jié)果的觀察，獲得了鋁合金圓管受彎構(gòu)件的破壞模式，見表1，其中L代表局部屈曲，G代表整體屈曲。表1同時也列出來了模擬得出的試件的極限荷載。

3　數(shù)值結(jié)果分析

本文參考香港大學(xué)Zhu和Young提出的關(guān)于方形鋁合金管純彎構(gòu)件的抗彎承載力的直接強(qiáng)度法計算公式：

有限元結(jié)果表1

考慮到本文所研究的鋁合金圓管受彎構(gòu)件均發(fā)生整體屈曲或局部屈曲，因此這里只借鑒了其有關(guān)受彎構(gòu)件局部-整體相關(guān)屈曲承載力Mnl的計算公式，通過對其一些參數(shù)進(jìn)行修正，提出了關(guān)于鋁合金圓管不開孔三點受彎構(gòu)件的直接強(qiáng)度法建議計算公式：

式中：λl為Mne/Mcrl的開平方；Mne為不考慮局部屈曲影響的受彎構(gòu)件的整體屈曲承載力，等于φbWfy，W為毛截面模量，fy為材料的屈服強(qiáng)度，φb為受彎構(gòu)件的整體穩(wěn)定系數(shù)；Mcrl為受彎構(gòu)件截面的彈性局部屈曲臨界彎矩，通過運(yùn)用有限元軟件ANSYS進(jìn)行特征值屈曲分析求得。采用公式（6），計算結(jié)果見表1，其中MFEA為有限元模擬結(jié)果。

4　結(jié)論

本文對鋁合金圓管受彎構(gòu)件進(jìn)行了數(shù)值模擬，對所建立的有限元模型進(jìn)行了非線性求解。對于鋁合金圓管受彎構(gòu)件的有限元分析結(jié)果，將其與通過折減系數(shù)法得出鋁合金圓管受彎構(gòu)件直接強(qiáng)度法計算所得結(jié)果進(jìn)行對比。對比結(jié)果表明，通過折減系數(shù)法得出鋁合金圓管受彎構(gòu)件直接強(qiáng)度法還是比較適用的。

[1]王元清，等.鋁合金工形截面短柱軸壓局部穩(wěn)定試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2015，36（50）:46-53.

[2]GB50429-2007，鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[3]李明，陳揚(yáng)驥，錢若軍，姚念亮.圓管形鋁合金軸心壓桿穩(wěn)定系數(shù)的試驗研究[J].空間結(jié)構(gòu)，2000，6（3）：59-64.

[4]Temp Lin R L，StrumR G，Harman E G，Holt M.Column strength of variousaluminumalloys[R].ARL Technical PaperNo.1，ALCOA 1938.

[5]OsgoodW R，HoltM.Thecolumnstrengthoftwoextrudedaluminumalloy H-section[R].NACA Reoprt656，939:1-24.

[6]Holt M.Test on built up columns of structural aluminumalloys[J].Journal ofTransportationEngineering，ASCE，1940，105:191-219.

[7]HoltM，Leary JR.Thecolumnstrengthofaluminumalloy 75 S-T extruded shapes[R].NACA TN-1004，1946:1-16.

[8]Leary JR，Holt M.Column strength of aluminumalloy 14 S-T extruded shapesandrod[R].NANCA TN-1027，1946:1-24.

[9]Zhu J H，Young B.Design of aluminum flexural members using direct strength method[J].Journal of Structure Engineering，2008，135（5）: 558-566.

TU311.4

A

1007-7359(2016)03-0056-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.03.019

姜陸彬（1990-），男，山東滕州人，合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院在讀碩士，研究方向：鋼結(jié)構(gòu)與組合結(jié)構(gòu)。