鋁合金護欄的設計與研究

曹善鵬 李 超 鄭雅如 聶鈺昕 孫 巍（遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003）

1 前 言

最早興起于歐美國家的鋁合金防護欄，曾經被廣泛的應用，同時也針對于鋁合金產品制定了相關的行業標準，相對于我國國情，鋁合金護欄的使用才剛剛起步，人們此時還沒有完全意識到鋁合金護欄產品在實際生活使用中完美且獨到的方面，在如今的生活中，隨處都能看到護欄表面銹跡斑斑、嚴重腐蝕、脆化等現象，這些問題嚴重的污染了現在文明城市的發展與建設，同時存在的安全隱患也時刻威脅著人們生命財產的安全。因此鋁合金護欄節能環保，易著色，輕量化等優點顯得更為突出，鋁合金護欄代替傳統防護欄的趨勢勢在必行，具有前景廣闊的發展空間。

2 現有護欄產品分類及對比

常見的護欄按材質分類，主要有木質護欄、不銹鋼護欄、鐵藝護欄、鋁合金護欄等。其中木質護欄有工藝簡單污染小的特點，但其材質易腐爛、使用壽命短、對森林資源破壞極為嚴重等缺點尤為明顯；不銹鋼護欄雖然有耐腐蝕的特點，但是真正意義上的304不銹鋼護欄造價高昂不易廣泛的推廣使用；合金含量低的不銹鋼護欄產品，抗腐蝕性極差，同時不銹鋼護欄不易著色、形狀單一，很難做到和諧搭配；鐵藝護欄制造成本低，但是使用壽命短，抗腐蝕性差；而鋁合金型材做的護欄具有性能穩定、耐腐蝕性好、強度高、使用壽命長的優點[1]，加之更成熟的加工工藝及表面處理技術，生產出的護欄產品更為符合當今時代的對隔離防護產品的需求。

3 鋁合金護欄的結構設計

鋁合金護欄是由橫梁、立柱、底座、尖角、立桿、立柱、圖樣型件等組成。本產品從設計理念上完全符合當今時代對防護欄產品外形美觀度的追求。

3.1 鋁合金護欄的3D模型

基于SolidWorks圖形繪制軟件，設計鋁合金護欄3D模型如圖1所示。

圖1 框架3D模型及其效果

3.2 鋁合金護欄的工程圖

本產品設計上為了追求其嚴密性與視覺感官，整體的設計結構較為復雜，工程圖紙的輸出量很大，為了設計的保密性本文只展現整體正視圖及其基本尺寸，如圖2所示。

圖2 鋁合金護欄外形尺寸示意圖

3.3 鋁合金護欄的連接方式介紹

鋁合金護欄采用螺接、插接、焊接相結合的連接方式，兩側立柱與中間橫梁通過U型連接件進行連接。其U型連接槽封閉的一端，通過點焊的方式，固定在立柱相應的尺寸位置。另一端的插片通過螺接的方式與橫梁固定在一起。細桿部分，通過插接的方式，插入四根橫梁對應插接孔中。頂端尖角插入細桿方管頂端，并通過點焊的方式使其徹底固定。中間花樣與錢幣圖案件，通過點焊的方式固定在細桿兩側。最后兩側立柱底端通過焊接的方式固定在底座上。

3.4 鋁合金護欄結構設計的參考依據

本護欄產品在滿足其強度要求、結構要求的情況下，按照GB/T6892-2006《一般工業用鋁及鋁合金擠壓型材》規定，本鋁合金護欄產品采用6061-T5工業用鋁。

在焊接工藝方面，按照GB/T10858-2008《鋁及鋁合金焊絲》相關規定，采用MIG電弧焊，焊接鋁合金護欄結構件，其中焊絲的材質選用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。

本產品在連接件與橫梁上為了避免不必要的鋁合金焊接應力，采用螺接的方式進行連接，分別按照GB/T5782-2000、GB/T6170《機械設計手冊》采用M12的六角螺栓與螺母進行連接。

4 強度驗證

4.1 有限元建立

在有限元模型建立中，對護欄幾何模型進行了適當簡化，去除掉一些非承載部件（例如圖樣等），去除部分為美觀優化設計對整體受力強度影響較小，且不考慮焊接結構的失效問題。型件間的連接件采用實體單元劃分[2]。

鋁合金護欄型材選用6061-T5鋁合金，該合金具有加工性能極佳、強度高等優點[3]。選用6061-T5鋁合金，可提高結構整體剛度。具體的材料性能參數見表1。

表1 護欄結構材料屬性

對護欄整體進行力學簡化，將底板所受力簡化為均布載荷，在實際應用中要求最大為7級風載的作用下，以均布載荷的形式施加在受力桿上。模擬分析鋁合金護欄在7級風載下的應力和變形。

4.2 模擬結果分析

針對護欄特殊情況下的強度要求，并采用Solidworks simulation有限元模擬軟件進行強度分析，具體數據如表3（a、b）所示,應力云圖與位移云圖。

圖3a為鋁合金護欄在7級風載作用下的應力云圖。由圖可見，應力集中出現在兩側立柱底端，最大應力為6.467MPa，遠小于6061鋁合金的屈服強度，其他位置應力分布均勻，無應力集中現象，整體強度滿足使用需求。

圖3b為鋁合金護欄在7級風載作用下的位移云圖。由圖可見，集裝板最大位移發生護欄頂端位置，最大位移為9.468mm，滿足產品性能要求。

圖3 風載情況下（a）應力云圖；（b）位移云圖

5 結 語

鋁合金護欄在技術上不斷改進和優化，突出了其性能特點，一定會被越來越多的適宜環境所需求。本次設計的鋁合金護欄具備一定的優勢，具體有以下3個方面：

1）外觀方面

本次設計的鋁合金護欄產品，外觀簡潔大方，符合二十一世紀新型防護隔離產品的實際需要。同時先進的表面處理技術，使產品表面更加光滑。

2）功能方面

本產品一般在工廠及小區周邊使用，起到隔離區域與保護人們生命財產安全的作用，在原有單一樣式的基礎上更加追求護欄的樣式設計，將藝術性的美感融入其中，符合當今時代的主旋律。

3）材質方面

護欄選用鋁合金型材擁有其他材料無可比擬的優勢，具有質量輕、強度高、耐腐蝕性強、著色效果明顯且不易褪色等優點，并且可以較為容易通過擠壓、切割等方式獲得所需型件，制作工期極為短暫，批量生產能力強。