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模板支撑结构的有限元分析与优化

发布于:2018-12-13 21:04
有限元分析

      装配式支撑系统是一种以装配式脚手架为支承的结构,形式灵活,拆装快捷,可重复利用,适用于各类室内、室外工程。近年来,由于其优越的性能,在欧美等国的各种工程施工中得到广泛的应用。装配式脚手架支撑结构由连接G型卡的横杆、连接U型卡的立杆、插销、斜杆四部分组成,如图所示。C型卡和U型卡分别焊接在横杆和立杆上,安装时将两扣件在适当的位置相扣,再由插销穿插其间实现横杆和立杆的连接,上下立杆之间采用内插套管连接,斜杆连接在U型卡上以加固该支撑结构系统。在横一立杆节点结构中,当横杆受到竖直载荷时,横杆牵动G型卡偏下倾斜变形,同时插销受到G型卡水平位置分力的作用,会与U型卡内表面产生接触摩擦挤压变形,当受载荷过大时,U型卡变形严重,导致工程安全事故。插销的侧面与U型卡内表面接触摩擦挤压,与结构的荷载、结构的材料、边界条件等有关,属于非线性接触问题,用一般的常规分析方法解决比较困难,本文尝试用ANSYS中的接触单元法对插销与U型卡之间的接触强度进行模拟分析,将在非线性接触中的有限元分析结果与试验数据比对,找到结构最优化方案。
      接触单元法是用界面的正应力和剪应力以及界面位移约束来描述界面的孰结开合状态,其特点是接触界面的区域大小和相互位置以及接触状态事先未知,随时间变化,需要在求解过程中确定,且接触条件属于单边性,表现出强烈的非线性,能够很好地模拟结构面的变形和受力特性。但由于接触问题是一种高度非线性问题,求解收敛较为困难。根据非线性接触理论,接触表面的摩擦力,即接触面切向力在熟性阶段为:ANSYS程序具有强大的接触分析能力,它支撑刚体一柔体和柔体一柔体的面一面接触单元,刚性面被当作“目标面”分别用Targe169和Targe170来模拟2D和3D的“目标”面,柔性体的表面被当作“接触”面,分别选Contac171,Contac172和Contac173,Contac174来模拟2D和3D的“接触”面。目标单元和接触单元跟踪变形阶段的运动,构成一个接触对目标单元和接触单元通过共享的实常号联系起来。
      本文采用Pro/E三维App进行三维几何建模,通过参数化建模的方式,可以方便地建立装配式脚手架支撑结构的三维模型。通过Pro/E对装配式脚手架某一个节点结构的C型卡、U型卡、横杆、立杆的单独零件建模,然后再进入装配环境对零件进行装配,如图所示。最后,通过Pro/E与ANSYS接口导入ANSYSApp中进行有限元分析。横杆和立杆采用Beam188梁单元模拟,对于那些由于几何、材料、荷载或分析结果要求考虑细节等原因造成无法用简单的单元进行建模的结构,只能使用三维实体单元,所以在本例中,G型卡和U型卡采用SOLID45模拟。接触单元用Contac173,目标单元用Targe1700用lselr,length,用lesize设置线划分的份数,用扫掠(VSWEEP)生成四面体或六面体单元,如图所示,划分网格后共得到单元86324个,节点163539个。
      有限元分析插销和U型卡接触问题的关键在于能否较好地模拟接触面上的挤压应力和错动变形的发展,以充分反映插销U型卡接触面的受力分析及变形特性。本文采用了刚体一柔体的面一面接触单元,接触挤压时,U型卡内表面变形受力面积大于插销侧面,所以,U型卡内表面属于刚性“目标”面,采用三维目标单元Targe170模拟,插销侧面属于柔性“接触”面,采用三维4节点接触单元Contac173模拟。同时,定义轴向接触面的接触刚度KFN=0.3,用拉格朗日乘子法和罚函数的结合法进行求解。如图所示对立杆上顶面和下底面进行UX,UY,UZ全方位约束,横杆选连接某一节点的一端,实际工程中,横杆在水平方向是固定的,所以对横杆端部进行UX,UY,UZ的全方位约束,考虑到横杆自重、横杆上面所放模板自重、材料重量以及施工人员的自重,可以考虑给横杆施加2000N的力。取U型卡的材料为Q345,取安全系数为1.5,则许用应力230MPa,图所示为总体应力的等值线和U型卡VonMises应力等值线,可以看出,对于装配式脚手架节点整体结构来说,绝大部分应力分布在214MPa,零件U型卡薄壁应力图中,部分应力分布在0.89-215MPa之间,符合材料的许用应力。


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