一體成型鋁合金加勁肋角型件高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能研究

謝坤明

(福建省永正工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司 福建福州 350012)

0 引言

鋁合金材料具有材質(zhì)輕、耐久性強(qiáng)、延性好和能夠回收利用等優(yōu)點(diǎn)，滿足綠色建筑要求[1]。由于受鋁合金材料特性所限，當(dāng)鋁合金采用焊接連接時(shí)，會(huì)大幅度削減鋁合金強(qiáng)度[2-4]。因此，目前鋁合金結(jié)構(gòu)中常用的還是鉚釘連接，但鉚釘連接節(jié)點(diǎn)存在剛度低的問題，這限制了鋁合金結(jié)構(gòu)的發(fā)展。文獻(xiàn)[5]通過對(duì)6061-T6鋁合金高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究，驗(yàn)證了高強(qiáng)螺栓在鋁合金節(jié)點(diǎn)中的適用性，并得出了鋁合金角型件強(qiáng)度較低，會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)整體承載力不高的結(jié)論。

研究表明，在角鋼上焊接加勁肋能夠提高節(jié)點(diǎn)的剛度[6]。因此，對(duì)于強(qiáng)度和剛度不足的角鋼高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)可以通過在角鋼上焊接加勁肋來提升節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度和剛度，但在角鋁上焊接加勁肋，反而會(huì)致使鋁合金角型件強(qiáng)度進(jìn)一步削弱。考慮到鋁合金易于軋制成型的優(yōu)點(diǎn)，提出采用一體成型的加勁肋鋁合金角型件的高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)，并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行研究。

為了探究加勁肋鋁合金角型件高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)的受力性能，有限元數(shù)值模型中鋁合金6061-T6材性采用文獻(xiàn)[7]中建議的Ramberg-Osgood模型，在同文獻(xiàn)[5]進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證基礎(chǔ)上，建立了一體成型鋁合金加勁肋角型件高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)有限元數(shù)值模型，針對(duì)不同加勁肋厚度進(jìn)行力學(xué)性能分析，以期為鋁合金結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)提供設(shè)計(jì)思路。

1 有限元建模

采用Abaqus有限元軟件對(duì)鋁合金角型件高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模，模型采用實(shí)體單元中的C3D8R單元，確保求解精度。法向接觸和切向接觸分別采用“硬接觸”和庫倫摩擦，摩擦系數(shù)取0.3。網(wǎng)格劃分是模型建立的重點(diǎn)，由于模型涉及到螺栓、板件開孔和角型件，網(wǎng)格劃分很容易出現(xiàn)扭曲和不規(guī)則，使模型無法計(jì)算，通過對(duì)螺栓口和扭曲處網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，使網(wǎng)格規(guī)整化，對(duì)于角型件厚度方向至少設(shè)置3個(gè)網(wǎng)格單元點(diǎn)[8]。8.8級(jí)直徑12 mm的高強(qiáng)螺栓屈服強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別取680 MPa和840 MPa，彈性模量取20 600 MPa，極限應(yīng)變?yōu)?.1。6061-T6鋁合金材料的本構(gòu)采用Ramberg-Osgood模型，見式(1)。

(1)

式中，ε為應(yīng)變，σ為應(yīng)力，E為原點(diǎn)處彈性模量，n為應(yīng)變硬化參數(shù)，f0.2為名義屈服強(qiáng)度。

n值計(jì)算采用Steinhardt所提出的近似計(jì)算式，如式(2)：

n=f0.2/10

(2)

由式(1)，式(2)計(jì)算所得材料應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)曲線如圖1所示。

高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力的施加采用Abaqus有限元軟件提供的螺栓荷載，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接技術(shù)規(guī)程》[9]，8.8級(jí)M12高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力取48.5 kN，預(yù)緊力按照文獻(xiàn)[10]提供的步驟進(jìn)行施加，荷載采用位移加載方式。建模采用的截面參數(shù)見表1，有限元數(shù)值模型如圖2所示。

表1 構(gòu)件參數(shù)

(a)邊界條件和荷載施加

(b)網(wǎng)格劃分圖2 有限元數(shù)值模型

2 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證有限元數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，通過采用圖2所示有限元模型與文獻(xiàn)[5]中的鋁合金角型件高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擬合，試驗(yàn)和有限元數(shù)值模型力-位移曲線對(duì)比如圖3所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)和有限元數(shù)值模型承載力對(duì)比見表2，從圖3和表2中反映的情況來看，有限元數(shù)值模型擬合的準(zhǔn)確度高，同試驗(yàn)所得鋁合金高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)承載力誤差僅為0.01%，因此可以在此數(shù)值模型基礎(chǔ)上，進(jìn)行一體成型加勁肋鋁合金角型件高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能研究。

圖3 力-位移曲線對(duì)比

表2 數(shù)據(jù)對(duì)比

3 節(jié)點(diǎn)受力分析

3.1 一體成型鋁合金加勁肋角型件

通過在角型件上焊接加勁肋能夠提高連接節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度與剛度，還能減少角型件厚度，達(dá)到經(jīng)濟(jì)適用效果。鋼結(jié)構(gòu)中常規(guī)角型件焊接加勁肋辦法在鋁合金角型件上無法適用，且存在鋼材會(huì)和鋁合金材料發(fā)生反應(yīng)的問題，使得加勁肋角鋼無法在鋁合金連接節(jié)點(diǎn)上應(yīng)用[11]。考慮到鋁合金有易于一體成型的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)一體成型鋁合金加勁肋角型件如圖4所示。

圖4 一體成型鋁合金加勁肋角型件

圖5 鋁合金加勁肋角型件高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)

通過一體成型的鋁合金加勁肋角型件，避免了焊接對(duì)鋁合金材料造成損傷。基于第2小節(jié)的節(jié)點(diǎn)有限元數(shù)值模型基礎(chǔ)上，分別建立了加勁肋厚度為3 mm、5 mm、7 mm的一體成型鋁合金加勁肋角型件，研究不同加勁肋厚度對(duì)鋁合金角型件高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)受力性能的影響。有限元數(shù)值模型如圖5所示。

3.2 承載力對(duì)比和應(yīng)力云圖分析

通過有限元數(shù)值模型計(jì)算的一體成型加勁肋鋁合金角型件高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)力-位移曲線數(shù)據(jù)對(duì)比圖如圖6所示，模型所得承載力數(shù)據(jù)如表3所示。

圖6 節(jié)點(diǎn)力-位移曲線對(duì)比

表3 節(jié)點(diǎn)承載力

從圖6和表3中可看出，鋁合金角型件增加加勁肋后，節(jié)點(diǎn)承載力得到了顯著提高，厚度從0增加到5 mm時(shí)，節(jié)點(diǎn)承載力從33.2 kN增加到了36.5 kN，增幅高達(dá)10%。隨著加勁肋厚度的增加，節(jié)點(diǎn)承載力也逐漸提升，當(dāng)加勁肋厚度從0 mm增加到3 mm時(shí)，節(jié)點(diǎn)承載力提升了5.1%，當(dāng)加勁肋厚度從3 mm增加到5 mm時(shí)，節(jié)點(diǎn)承載力提升了4.6%，當(dāng)加勁肋厚度從5 mm增加到7 mm時(shí)，節(jié)點(diǎn)承載力提升了0.5%，相較于加勁肋厚度從3 mm增加5 mm時(shí)，提升并不明顯。由此可知，一體成型的鋁合金加勁肋角型件能夠提高節(jié)點(diǎn)承載力和剛度，且隨著加勁肋厚度提升，節(jié)點(diǎn)承載力和剛度也會(huì)相應(yīng)提升，不同厚度角型件會(huì)有最優(yōu)的加勁肋厚度，當(dāng)加勁肋厚度達(dá)到最優(yōu)時(shí)，節(jié)點(diǎn)承載力提升幅度最高，且最經(jīng)濟(jì)適用。以本算例為例，厚度為10 mm的鋁合金角型件，最適合的加勁肋厚度為5 mm。有限元數(shù)值模型計(jì)算所得一體成型鋁合金加勁肋角型件高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖如圖7所示。

(a)無加勁肋

(b)有加勁肋

文獻(xiàn)[5]中鋁合金角型件高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)可見其破壞性是由角型件長(zhǎng)肢端折角處控制的，從應(yīng)力云圖7(a)中可看出，該處也是角鋁應(yīng)力最大處。從應(yīng)力云圖7(b)反映的情況來看，一體成型的加勁肋能夠很好地傳遞長(zhǎng)肢端和短肢端之間的應(yīng)力，從而減小角鋁折角處應(yīng)力集中的情況，達(dá)到提升承載力的效果。

4 結(jié)論

本文通過建立有限元數(shù)值模型，在驗(yàn)證有限元模型準(zhǔn)確度的前提下，提出一體成型鋁合金加勁肋角型件，并根據(jù)不同角型件厚度進(jìn)行節(jié)點(diǎn)受力分析，得出以下結(jié)論：

(1)一體成型鋁合金加勁肋角型件能夠提高連接節(jié)點(diǎn)承載力，鋁合金角型件增加了5 mm加勁肋后，節(jié)點(diǎn)承載力從33.2 kN提升到了36.5 kN，增幅10%。

(2)隨著加勁肋厚度的提升，一體成型鋁合金加勁肋角型件高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)承載力和剛度也逐漸提高。

(3)在一定范圍內(nèi)加勁肋厚度的變化對(duì)節(jié)點(diǎn)影響顯著，以本文算例為例，當(dāng)加勁肋厚度達(dá)到5 mm后，加勁肋厚度的提升對(duì)節(jié)點(diǎn)影響不再明顯，繼續(xù)增加加勁肋厚度，只會(huì)造成材料浪費(fèi)。

(4)從應(yīng)力云圖反映的情況來看，一體成型的加勁肋能夠很好地傳遞角型件長(zhǎng)肢端和短肢端之間的應(yīng)力，減少折角處應(yīng)力集中的情況，達(dá)到提升節(jié)點(diǎn)承載力的效果。