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轻量化设计中薄壁多孔件强度折减方法研究

2017/6/8    来源:互联网    作者:宋一铭  吕志军  武永美  李宏亮      
关键字:有限元分析  轻量化设计  性能试验  
本文基于力学性能的试验分析,采用等体积折减法建立了薄壁多孔立柱强度计算的有限元模型。仿真分析显示,壁厚折减模型与原模型的误差率不超过6%。

    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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责任编辑:张纯子
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