論不同形狀加勁肋對角鋁高強螺栓連接節(jié)點力學(xué)性能的影響

朱志強

(福清融灣投資有限公司 福建福州 350300)

0 引言

鋁合金材料耐腐蝕性強，自重僅為鋼材的1/3[1]，強度和低碳鋼相近，是一種綠色環(huán)保的建筑材料，在沿海城市有很強的應(yīng)用性。焊接連接產(chǎn)生的高溫會造成鋁合金材料性能的削弱[2-3]，鉚釘連接剛度較小，節(jié)點初期容易發(fā)生滑移[4]，采用高強螺栓連接節(jié)點不僅避免了焊接對鋁合金材料的削弱，而且擁有較高的剛度。雖然《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[5]不建議在鋁合金連接節(jié)點中采用高強螺栓進行節(jié)點連接，但文獻[6]通過試驗，證明了高強螺栓在鋁合金連接節(jié)點中的適用性。

角鋁連接件強度不高，采用角鋼代替角鋁又存在金屬之間發(fā)生反應(yīng)，致使構(gòu)件腐蝕的問題，因此，只能通過在角鋁上增加加勁肋，提升節(jié)點的強度和剛度。文獻[7]提出了一種一體成型的加勁肋鋁合金角型件高強螺栓連接節(jié)點，通過有限元分析，得出加勁肋能大幅提高節(jié)點承載力的結(jié)論。但加勁肋的形狀多樣，研究出最合適的加勁肋形狀，對鋁合金高強螺栓連接節(jié)點的發(fā)展，有著重大的意義。

為了探究不同形狀加勁肋對鋁合金角鋁高強螺栓連接節(jié)點受力性能的影響，在文獻[6]的基礎(chǔ)上，建立了4種不同形狀的加勁肋角鋁連接件，分別對這4種連接節(jié)點進行受力分析，得出力學(xué)性能最優(yōu)的加勁肋形狀。

1 有限元建模

1.1 數(shù)值模型建立

模型的柱子尺寸150 mm×150 mm×7 mm×10 mm，長度為1500 mm，梁尺寸280 mm×100 mm×6 mm×8 mm，長度為850 mm，頂?shù)捉卿X和腹板兩側(cè)角鋁尺寸分別是100 mm×60 mm×10 mm和60 mm×60 mm×10 mm，長度分別為100 mm和140 mm，螺栓為8.8級M12的高強螺栓。ABAQUS軟件中共有6個自由度，分別為X、Y、Z軸的位移和轉(zhuǎn)角，對于鋁合金角鋁高強螺栓連接節(jié)點，需要約束柱底和柱頂三軸的位移和轉(zhuǎn)角。加載方式采用位移加載，通過將梁端耦合成一個點，在耦合點上施加位移。螺栓預(yù)緊力采用“bolt load”，按3個步驟分別設(shè)置10 kN、45kN[8]和“fix at current lenght”。有限元模型圖如圖1所示。

圖1 有限元模型

鋁合金構(gòu)件、角鋁和高強螺栓均采用ABAQUS中提供的C3D8R實體單元模擬，柱、梁、角鋁和高強螺栓之間法向接觸采用“Normal Behavior”中的“Hard Contact”，切向接觸采用“Tangential Behavior”中的“Penalty”，摩擦系數(shù)取0.2。網(wǎng)格劃分在細化柱、梁、角鋁開孔位置后，采用Structured進行劃分，節(jié)點關(guān)鍵受力處網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 關(guān)鍵受力處網(wǎng)格劃分

1.2 本構(gòu)模型

鋁合金材料按照文獻[6]取6061-T6，用奧斯古德模型描述其應(yīng)力-應(yīng)變，奧斯古德模型計算公式如下：

(1)

式中具體參數(shù)含義見文獻[9]，其中n值通過公式n=f0.2/10計算所得，f0.2為鋁合金材料的名義屈服強度。

通過上式計算的6061-T6鋁合金本構(gòu)曲線如圖3所示。

圖3 6061-T6鋁合金本構(gòu)

高強螺栓的材料是高強度鋼，可用鋼材的雙折線模型對其應(yīng)力-應(yīng)變曲線進行描述，泊松比和彈性模量分別取0.3和20600 MPa，應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。

圖4 8.8級高強螺栓本構(gòu)

1.3 模型驗證

采用1.1節(jié)的建模方法和1.2節(jié)的材料本構(gòu)關(guān)系，對文獻[6]試驗所得鋁合金角鋁高強螺栓連接節(jié)點荷載-位移曲線進行對比，有限元模型計算所得數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)對比如圖5所示。

圖5 模型和試驗數(shù)據(jù)對比

從圖中反映的情況來看，有限元軟件模擬的節(jié)點荷載-位移曲線發(fā)展趨勢同試驗所得一致，能較好模擬出節(jié)點的受力情況，有限元數(shù)值模型所得節(jié)點承載力為33.2 kN同試驗所得節(jié)點承載力33.0 kN,誤差僅為0.01%，以此可知有限元模型準確有效。

2 節(jié)點受力分析

2.1 四種不同形狀加勁肋

在角鋁連接件上增加加勁肋，不能采用傳統(tǒng)的焊接方法。在鋁合金易于擠出成型的優(yōu)點下，可以一體成型加勁肋，但是用此方法增加的加勁肋形狀限制于擠出方向，可通過擠出成型的加勁肋如圖6所示。機械加工中的線切割法，能將金屬件切割成需要的形狀，同樣可以避免因焊接產(chǎn)生的高溫所導(dǎo)致的鋁合金材料削弱，線切割法加工的加勁肋如圖7所示。

(a)一字形加勁肋 (b)L形加勁肋

圖7 鋁合金線切割示意圖

采用第1節(jié)中的建模方法，建立了一字形加勁肋、L形加勁肋、圓弧形和直角三角形加勁肋角鋁連接件。文獻[7]通過有限元驗證分析，得出對于10 mm厚度的角鋁，加勁肋的最優(yōu)厚度為5 mm，因此這4種加勁肋厚度均設(shè)置為5 mm。以研究不同形狀加勁肋對節(jié)點力學(xué)性能的影響。

2.2 數(shù)據(jù)分析

圖8為通過節(jié)點數(shù)值模型計算所得的一字形加勁肋、L形加勁肋、圓弧形和直角三角形加勁肋鋁合金角鋁高強螺栓連接節(jié)點的荷載-位移曲線數(shù)據(jù)對比圖，表1為4種連接件計算所得承載力數(shù)據(jù)。

圖8 節(jié)點荷載-位移曲線對比

表1 節(jié)點承載力

從圖表中可看出，加勁肋對節(jié)點承載力的提升非常明顯。當(dāng)加勁肋為一字形時，節(jié)點的承載力由33.2 kN提升至36.5 kN，增幅為10%；當(dāng)加勁肋為L形時，節(jié)點承載力由33.2 kN提升至35.3 kN，增幅為6.3%；當(dāng)加勁肋為圓弧形時，節(jié)點承載力由33.2 kN提升至37.6 kN，增幅高達13.3%；加勁肋為直角三角形時，節(jié)點承載力由33.2 kN提升至38.8 kN，增幅高達16.9%。4種不同形狀的加勁肋中，L形加勁肋對節(jié)點力學(xué)性能的提升最低，直角三角形加勁肋對節(jié)點的力學(xué)性能提升最為顯著，兩者提升的幅度差高達10%。可見選擇合適的加勁肋形狀，對節(jié)點力學(xué)性能影響極大。模型計算有限元應(yīng)力云圖如圖9所示。

(a)一字形加勁肋

綜合圖表數(shù)據(jù)而言，直角三角形加勁肋是提升節(jié)點力學(xué)性能的最優(yōu)選，但是線切割的成本會遠高于一體成型的加勁肋角鋁連接件。當(dāng)需要大量生產(chǎn)有加勁肋的角鋁件時，建議采用一體成型的圓弧形加勁肋，在提升節(jié)點力學(xué)性能的同時，最大程度的節(jié)約成本；當(dāng)僅需少量的加勁肋角鋁連接件，又有較高的承載力要求的情況下，可以選擇直角三角形加勁肋。從應(yīng)力云圖(a)～(d)反映的情況來看，加勁肋均能夠通過傳遞角鋁長短肢端之間的應(yīng)力，達到提升節(jié)點承載力的效果。其中一字形和圓弧形加勁肋所受應(yīng)力較為均勻，直角三角形加勁肋所受應(yīng)力從角鋁折角處至長肢端尾端逐漸減小。

3 結(jié)論

(1)4種不同形狀的加勁肋均能提高節(jié)點的承載力，其中，直角三角形加勁肋對節(jié)點承載力的提升最為顯著。按一字形、L形、圓弧形和直角三角形的順序，對節(jié)點承載力的提升幅度分別為10%、6.3%、13.3%和16.9%。

(2)加勁肋形狀不建議采用L形。因其對節(jié)點性能提升不夠，且需要耗費較多的材料。

(3)當(dāng)需要大量生產(chǎn)使用加勁肋角鋁時，建議采用圓弧形加勁肋。其對節(jié)點力學(xué)性能的提升顯著，且節(jié)約成本。

(4)當(dāng)僅需少量的加勁肋角鋁，且對承載力要求較高時，建議采用直角三角形角鋁連接件，以滿足承載力要求。

(5)4種不同加勁肋均能傳遞長短肢端之間的應(yīng)力，其中一字形和圓弧形加勁肋所受應(yīng)力較為均勻，材料性能發(fā)揮最優(yōu)。