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建筑中铸铝支承件承载性能的有限元分析

发布于:2018-07-22 15:38
有限元分析

      点支式玻璃建筑能够将玻璃和建筑的主体结构通过金属连接件组合,共同承受外荷载作用。其建筑外观丰富,通透美观,发展势头迅速。
      铝合金作为一种新型的建筑材料,在点支式玻璃建筑等轻型结构中应用具有其独特的优势。由于点支式玻璃建筑中常用的不锈钢支承件存在自重较大、经济性不足的缺点,可以考虑采用铸铝支承件替代。已进行了相关试验研究,但仍然需要进一步的深入分析。本研究对铸铝支承件进行了弹塑性有限元分析,以期为相关的设计提供参考。
      铸铝支承件采用了两种不同牌号的铸铝:ZL105 T1和ZL111 T6。分别从试件上切取3个材料试件进行单向拉伸试验。
      由于铝合金为典型的非线性材料,有限元分析中采用简化的本构关系—双线性强化模型。本研究采用了几种典型的支承件形式,按照形状可以分为X形、I形、H形。
      由于支承件形状比较复杂和不规则,所以,先利用CAD进行三维实体建模,然后,导入ANSYS得到有限元模型。单元类型选用适合非线性分析的实体单元SOLID92,这种单元非常适用于不规则模型的单元网格划分,且可以考虑大变形,具有处理塑性、蠕变、应力强化等问题的能力。
      由于支承件的对称性,仅取一肢进行建模。在不影响计算精度的前提下,单元尺寸取为6mm,在肢端和肢根部应力集中区域进行单元的一级细分。在考虑铝合金的强度破坏时,假设铸铝为各向同性材料,采用V011 VI1SP、屈服准则,流动准则为关联流动准则,分析考虑材料非线性和几何非线性,设定铸铝的本构关系为双线性随动强化模型。
      在各肢的对称剖面上施加对称面约束。各支承件的中部都要通过螺杆连接到支承结构上,因此,在支承件中部与螺杆的接触面上施加固接约束。在各肢孔边分级施加荷载。
      进行双非线性(材料非线性和几何非线性)有限元分析,模拟支承件加载的整个过程,得到支承件Von Mises应力发展情况。由于ZL105 T1和ZL111 T6的Von Mises应力发展趋势在很大程度上一致。
      从应力状态可以看出,在肢端荷载作用下,X形支承件最大Von Mises应力出现在离肢端0.27倍的肢长处,而H形支承件中间肢(I形支承件)和边肢的最大Von Mises应力均出现在支承件肢根部。
      支承件加载时其最不利测点处的有限元分析结果和相应的试验值比较曲线,即荷载-轴向应变曲线。从图中可以看出,铸铝支承件的有限元分析结果与试验结果基本相符,验证了有限元数值模拟的适用性和有限元模型的可靠性。
      在弹性阶段,有限元分析结果与试验结果吻合良好。然而,当支承件屈服进入塑性阶段后,试验曲线与有限元分析曲线偏差较大。分析原因,可能有以下几点:
      (1)各测点处材料屈服后的塑性应变值较大,此时应变片测量准确性不足;
      (2)因为各试件为砂型铸造,难以保证各个试件的加工精度和质量完全一致;
      (3)材料的本构关系采用简化的双线性强化模型,可能会使分析结果产生一定的偏差。
      铸铝支承件的屈服荷载的有限元分析和试验结果比较。其中,屈服荷载试验值和有限元分析值非常相近,二者吻合良好,再次验证了有限元模型的可靠性。
      根据非线性有限元分析及ANSYS的时间历程后处理,可以得到各支承件肢端荷载与加载点处位移的变化曲线关系。
      铸铝支承件的荷载-位移曲线的变化趋势非常明显,在材料屈服之前,荷载与位移基本上呈线性变化,当材料达到屈服强度之后,曲线随即出现非线性延伸,但并非理想的弹塑性曲线,这与铸造铝合金的材料非线性是相对应的。



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