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轻量化设计中薄壁多孔件强度折减方法研究
2017-06-22 20:48:48  作者:宋一铭 吕志军 武永美 李宏亮   来源:互联网
  •   0 引言   以组装式钢结构货架为主体的立体仓库凭借其轻量化设计、空间利用率高、存储量大以及自动化、智能化的技术特点,成为了现代物流仓储行业中必备的基础设施之一。一般常见的组装式钢货架包括立柱、 ...

  0 引言

  以组装式钢结构货架为主体的立体仓库凭借其轻量化设计、空间利用率高、存储量大以及自动化、智能化的技术特点,成为了现代物流仓储行业中必备的基础设施之一。一般常见的组装式钢货架包括立柱、梁横等部分,横梁以及立柱多由薄壁钢经过冷弯加工制成;作为支撑作用的立柱一般是开口设计,而且在立柱的前侧腹板上冲有一系列异型的孔洞,以方便与横梁的装配。立柱截面形状的不规则以及在前侧腹板或者后部翼缘上的孔洞,对立柱的承载能力有着很大的影响:一方面,因为冲孔,使构件由连续变得不连续,应力的分布发生较大改变;同时孔洞也会进一步改变立柱的屈曲性能和稳定性以及承载能力;立柱背部的翼缘,尽管为连接拉杆提供了装配上的方便,但同时也构件畸变屈曲失效作用变得更为显著。传统的薄壁钢立柱强度设计模型主要针对连续截面,对于大量含有规则孔洞序列的薄壁钢构件,目前还缺乏比较实用的计算分析手段[4]。目前对于薄壁立柱上冲孔的性能研究,一般考虑在构件上的异型孔洞,与没有开有孔洞的构件相比,对其力学性能有何改变,或者尝试将孔洞视为立柱的缺陷,对壁厚进行一定程度上的折减,进而将其影响带入到承载力的分析中。但因为立柱孔洞的类型繁多,不同孔洞对性能的影响十分复杂,所以现行的设计规范准则,主要还是依靠规定的短柱试验,来测定冲孔对构件力学性能的影响。本文基于力学性能试验的有限元分析,对薄壁多孔立柱强度折减方法进行了研究,从而为大型立体仓库轻量化设计及其稳定性分析探索工程化的方法。

  1 基于立柱性能试验的有限元模型

  1.1 立柱压缩试验原理

  依据欧洲储存设备制造者协会出版的CFEM10.2.02托盘钢货架静力设计》,对立柱构件进行轴向载荷压缩试验,分析其极限承载能力。其测试原理如下图1所示。

  测试开始前,先将立柱安置妥当,然后开始施加轴向载荷,通过钢珠传递给压板,再施加到试件上。当立柱在压力的作用下产变形并生失效时,则可以停止试验,此时的压力即为立柱的屈服压缩力。通过试验所得的结果,可以为有限元分析和理论分析提供数据依据与支持。

  

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  图1 立柱试验原理图与力学简化模型

  1.2 立柱性能试验的有限元仿真1.2.1几何建模及结构简化

  立柱的建模采用CAD软件,依据由企业提供的M90A-2-65和M90B-2-78两种类型的立柱图纸,对立柱进行建模。考虑到网格划分、载荷施加及计算结果等问题,需要对立柱进行简化处理,但同时考虑到分析结果的准确性,以及与实际情况的一致性,只对立柱的截面进行适当的简化,将截面圆角转化为直角,其余不作简化,开孔的情况也按实际情况进行建模。

  1.2.2 模型的网格划分

  考虑到立柱模型为不规则几何体,而且是薄壁结构,论文米用了ANSYSWorkbench®软件中的AutomaticMesh网格划分方法,在四面体与SweepMesh之间自动地切换,对目标模型进行网格划分。为了使分析更为准确,需要对网格的划分设置进行一些调整,对网格设置中的Relevance调整为50,使网格更为细化,同时也对RelevanceCenter、Smoothing等选项进行调约束条件和加载设置整,提高网格划分质量。

  1.2.3 约束条件和载荷设置

  按照欧洲物流行业规范的规定和试验装置的实际情况对立柱进行约束条件的设置和载荷的施加。按照ANSYSWorkbench软件中的坐标系,对立柱约束条件的设置进行说明,立柱的受轴向压缩的方向为Y轴,腹板方向为X轴,截面开口方向为Z轴。图2为立柱压缩试验的有限元模型。

  

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  图2 薄壁多孔立柱的有限元模型

  1.3 结果分析

  在完成划分网格,约束设置和载荷添加后,则可以开始屈曲分析过程,对立柱的受压模型进行屈曲分析。通过屈曲分析,可以观察到立柱的失效模式及其应力分布,并可以求得立柱的临界载荷,即屈服压缩力。并与试验数据进行比较分析,结果如下表

  表1 立柱屈曲仿真与试验数据对比情况

  

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  2 薄壁多孔立柱强度等效折减方法

  基于力学性能的多孔立柱有限元模型,考虑将孔洞视为几何缺陷并折减壁厚来建立其等效强度模型。折减前,先对模型上孔洞的体积进行计算,按照等体积原则,确定折减厚度,分析未折减模型与相应折减模型承载能力的关系,由此来确认折减方法是否可行。例如对于M90A和M90B两种类型的短柱,考虑等体积的方法,对其进行折减厚度的确定。在短柱上有两种孔洞(如下图3所示),记左侧孔型为孔型a,面积为S1;右侧孔型为孔型b,面积为S2。在前侧腹板上,孔型a的个数为5个,孔型b的个数为6个,在翼缘上,只有孔型b—种孔洞,个数为5个,孔型a和孔型b的初始尺寸:Rp7.5mm,R2=4.5mm,R3=5.25mm。

  

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  图3 货架立柱中常见的两种孔型

  折减宽度分别按照两种折减方法进行:

  (1)方法一:在前侧腹板和侧翼缘的整个厚度范围内进行折减:

  M90A:前部腹板的宽度Cl=34.3mm,后部侧翼缘的宽度:d1=21mm;

  M90B:前部腹板的宽度c2=33.83mm,后部侧翼缘的宽度:d2=31.2mm。

  记M90A前部腹板的折减厚度为ai,后部侧翼缘的折减厚度为b1;记M90B前部腹板的折减厚度为a2,后部侧翼缘的折减厚度为b2。

  前腹板折减厚度:

  

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  侧翼缘折减厚度:

  

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  (2)方法二:在前侧腹板和侧翼缘按孔洞的最大尺寸进行折减:

  按此种方法进行折减,则对于M90A和M90B来说,折减宽度的确定是一样的,即在前部腹板,折减宽度定为孔洞最大尺寸c=15mm;在后部侧翼缘,折减宽度定为d=10.5mm。由于两种类型的短柱的孔洞形状与尺寸一样,且此种折减方法确定的折减宽度对于两种短柱来说一样,故折减厚度也一样,

  记前腹板折减厚度为a,后翼缘折减厚度为b。计算公式如下,

  前腹板折减厚度:

  

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  侧翼缘折减厚度:

  

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  3 算例分析

  以型号为M90A的多孔立柱为例,进行强度折减模型的计算分析。依据尺寸数据,按照上述公式,进行折减厚度的计算。为进行折减厚度与折减模型承载能力的分析,需多组折减厚度值。考虑对上述初始孔洞尺寸进行增减(±10%),来获得尺寸不同但形状相同的孔洞,并进行折减厚度的计算,折减计算结果见表2、表3。

  与前文所述类似,根据表2、表3的数据对立柱进行基于轴向载荷压缩试验的有限元仿真,所得结果见表4,方法一的相对误差不超过5%,可用于多孔立柱强度简化计算。

  

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  4 结论

  基于力学性能的试验分析,本文对薄壁多孔构件的孔洞折减方法进行了研究。按等体积的方法进行折减,前侧腹板和后部翼缘的折减厚度根据其上的孔洞等体积等效折减,折减厚度与孔洞尺寸有着较为明确的对应关系。进一步的仿真分析显示,壁厚折减模型与原模型的误差率不超过6%,尽管其结果略偏于不保守,但实际应用中可通过设定安全系数后加以考虑,从而为大型高层钢结构货架的稳定性设计与拓扑优化提供了工程化的简化方法。



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