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基于UG的轻量化焊接桁架结构优化研究.docx

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基于UG的轻量化焊接桁架结构优化研究.docx

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杨景宇任何东李超林赵昭丁义超刘海琼张小山
Summary:以三角极简稳定支撑为基础,由高压电塔与埃菲尔铁塔启发设计灵感设计了桁架结构。在保证焊点分布及数量合理的条件下,获得了最优结构,并利用UG对其承载性能进行仿真模拟。结果表明当桁架型材尺寸为(6+8)时,单位承载力为267N/g,其破坏位置位于底部节点。同时,实验测得其最大承载力约为45kN,承载力与质量之比为250N/g,具有良好的性价比。
Key:轻量化;桁架结构;UG仿真;焊接工艺
:TP237文献标志码:A
:2095-5383(2019)01-0007-05
StructuralOptimizationofLightweightWeldedTrussbasedonUG
YANGJingyu,RENHedong,LIChaolin,ZHAOZhao,DINGYichao,LIUHaiqiong,ZHANGXiaoshan
(SchoolofMaterialsEngineering,ChengduTechnologicalUniversity,Chengdu611730,China)
Abstract:,(6+8),itsunitbearingcapacityis267N/g,,,whichindicatesagoodperformancepriceratio.
Keywords:Lightweight;TrussStructure;UGSimulation;WeldingProcess
桁架即桁架梁,是格構化的一种梁式结构。桁架是由轴心受力构件(拉杆和压杆)组成的格构式构件,按照截面形式桁架分为平面桁架和空间桁架,平面桁架和空间桁架通过纵横方向的可靠连接(如系杆、支撑或此桁架等)组成桁架系统(桁架结构)用以承受竖向荷载和跨越较大的空间[1-6]。桁架结构具有良好的支撑性能的同时,还应追求轻量化、低成本。因此,在设计桁架时,需考虑桁架选材、桁架结构及加工工艺。
出于轻量化的考虑,通常使用轻质合金,综合考虑其成本、工艺性和使用性能,可使用钛合金或铝合金。其中钛合金的密度较高(451g/cm3左右),为钢密度的60%;纯钛的强度接近普通钢强度,而高强度钛合金大大超过合金结构钢的强度。然而,钛合金造价较高且焊接工艺复杂,性价比不高。铝合金密度较低(275g/cm3左右),且具有强度高(接近或超过优质钢)、塑性好、导电性好、导热性高和抗蚀性等特点。同时铝合金能够自防腐,能用于对结构载荷和环境有特殊防腐要求之处[7],广泛应用于工业生产。铝合金和钛合金的性能如表1所示。
由于铝合金满足轻质、高强度、低成本和易于焊接的要求,选择铝合金作为母材更为合适。铝合金种类较多,主要特点如表2所示。
2系和7系铝合金强度较高,但焊接性较差,即综合考虑选择6系铝合金。工业生产中常见的6系铝合金为6061和6063,两者焊接性相近,6061强度高于6063。经过分析,最终选择6061铝合金作为焊接母材。6061铝合金性能如表3所示。本文在考虑桁架选
材和加工工艺的前提下,基于UG软件的三维建模与仿真模拟功能,对小型承重桁架做出结构优化设计。
1实验
11实验设备
实验主要运用设备包括:DEW20万能实验机、递变式交直流脉冲氩弧焊机、DK7740线切割机。2019年第1期
杨景宇,等
:基于UG的轻量化焊接桁架结构优化研究
成都工业学院学报
12桁架型材
常用型材包括方管、圆管和棒材。对于方管和圆管,焊接成形存在大量干扰因素,增加了焊接工艺的难度,且方管与圆管在市面上不易获取,因此本文研究的型材选用6061铝合金棒材。
13焊接方法
铝及铝合金具有焊接时极易氧化、熔点高、热导率高、线膨胀系数高的特点,因此必须选用合适的焊接方法才能获得性能良好的构件。常见的焊接方法如表4所示。
由表4可见,气焊与手工电弧焊的焊接质量较差,等离子弧焊、真空电子束焊和激光焊焊接质量虽好,但焊接环境与设备要求高,增加了焊接成本。根据桁架构件质轻且精细的特点,需综合考虑焊接质量、难度和成本,在保证产品质量的同时降低成本,选择钨极氩弧焊(TIG焊)。在焊接过程中,用纯氩气或含氦10%或更多的氩氦混合气体作保护气时,使用交流电源,表面氧化物可由电弧去除。焊接时,采用铈钨极,伸出长度5~6mm,喷嘴距工件8~12mm,环境温度25℃,焊件焊前预热100℃,道间温度≤150℃。层间清理用不锈钢丝刷打磨[8]。这种焊法在氩气的良好保护下施焊,氩气的机械隔离作用可保护熔池免受氧化,热量比较集中且电弧燃烧稳定,获得的焊缝金属致密,接头的强度和塑性高,在工业中获得越来越广的应用。焊接参数如表5所示。
14焊接材料
在进行钨极氩弧焊时,需添加填充焊丝,而填充焊丝的成分将影响接头力学性能及腐蚀性能。在选择填充焊丝时,必须首先考虑母材的牌号、成分、产品的具体要求及施工条件,除了应满足接头的力学性能、耐腐蚀性能外,还应考虑结构的刚性及抗裂性等问题。根据6061铝合金材料特性选择4043AlSi5焊丝作为填充金属即焊丝。保护气体为氩气(99999%)能够更好地防止氧化及氢气孔的产生。
2结果与讨论
21建模与结构分析
结构优化设计作为机械设计的一种重要现代设计方法[9],在理论和应用方面均取得了显著进展,并获得了良好的经济效益[10]。本文首先使用UG软件进行三维建模,如图1所示,再进行结构优化与分析。
以金刚石正四面体和三角极简结构为基础,通过改变内梁的受力而达到最终的稳定、简易模型。桁架结构突出特点是节点为铰接点,不传递弯矩,因此节点次应力较大。若设计不合理,会造成桁架结构在关键节点处的次应力增加,使性能大幅下降。同时,若为使各个节点分力较小而添加节点,会导致成形工艺更复杂、质量增加等问题。
图1a以金刚石立方晶体结构为基础,但上部稳定性较差。图1b改进了桁架中部节点设计,使其能更好地分散顶部所承受的压力并提高结构的稳定性,但通过前期仿真分析发现,底部会发生较大形变。图1c增强桁架底部稳定性,同时减少倾斜角,使之在承载过程中形变量减少,但结构上部分构成简易,易发生弯曲变形。图1d综合考虑结构上下部分,在完善底部设计时,同时在结构内部进行设计,以防止结构承载时的外扩变形。但由于该结构过于复杂,焊接点较
多,焊接难度较大。图1e采用变直为曲的方法,把中部节点处使用圆环形构造,同时底部增加约束进行固定,上部分使用三直杆紧凑垂直承载,但上部结构变形较大。综上优化分析,得到如图1f的最终结构,同样以三直杆作为上部分承载,其中上部添加三个约束,使之变形量减少,底部采用三角形结构支撑,并加以约束,得到良好的分散力效果,实现在简化结构的同时,增加承載力。
众所周知,桁架结构最优形状受到单元截面尺寸的影响;反之,桁架结构的形状又决定着单元截面尺寸的最优设计[11]。确认原始结构后,考虑到桁架中杆件所起作用的差异,可将杆件分为两类:12根水平杆件为A类,主要起连接作用;其余杆件为B类,主要起承力作用,如图2所示。为了进一步减轻整个结构的重量,分别改变A和B类杆件的直径,参数如表6所示。
22桁架结构模拟
基于表6数据,采用UG对3组框架分别进行受力模拟分析,约束桁架底部的3个平面,同时对x轴和y轴旋转自由度,z轴移动自由度进行约束,对顶面向下施加压力。结果如图3和表7所示。
从表7中可以看到连接杆直径为6mm,承力杆直径为8mm时,桁架结构质量为180g,高度160mm,模拟承载力48kN,模拟最大应力为41644MPa,模拟出单位质量承载力是267N/g,单位质量承载力是3个样品中最大,即桁架Ⅱ的棒材直径选择最优。
23框架结构性能测试
将焊接完成的第Ⅱ号桁架置于万能试验机,进行挤压试验,得到桁架的最大承载力F,测试结果如图4a所示。从图4a中可以看到,桁架的最大承压力为约45kN。实验中测得桁架结构的质量为180g,因此Ⅱ号框架结构的单位承压力为250N/g,与UG模拟数据基本一致,误差为68%。
图4b所示为桁架结构的破坏特征结果,观察其破坏情况,与模拟显示的最大应力位置进行比较,其两者情况有大致吻合,经过分析,产生如图实际破坏的原因有两点:一为铝合金焊接后热影响区软化,强度降低;二为存在焊接缺陷,如未焊透等因素。
综上分析,桁架Ⅱ(6+8)最大承载力约为45kN,单位承载力为250N/g,为结构最优方案,满足桁架轻量化和性能要求。
3结论
为探索轻量型焊接桁架结构,以金刚石正四面体和三角极简结构为基础,基于UG软件,采用仿真模拟与实验相结合的方法,对桁架的结构及选材进行了研究。仿真结果表明,桁架Ⅱ(6+8)的单位承载力为267N/g,为最优结构,其破坏位置位于底部节点。同时,实验测得桁架Ⅱ单位承载力为250N/g;桁架破坏位置与仿真结果相符。得出使用6061铝合金焊接出上述桁架Ⅱ结构,可最大程度上实现轻量型桁架的同时,使其单位面积承载力最大,实现结构的优化。Reference:
[1]
刘光伟,卿展波,[J].山西建筑,2011,37(17):3941.
[2]
CHENJJ,CHEJW,SUNHA,[J].StructuralEngineeringandMechanics,2002,13(2):231239.
[3]
WUCY,TSENGKY,Trussstructureoptimizationusingadaptivemultipopulationdifferentialevolution[J].StructuralandMultidisciplinaryOptimization,2010,42(4):575590.
[4]
LILJ,XUXT,LIUF,[J].AdvancesinStructuralEngineering,2010,13(1):4351.
[5]
CRAIGER,Trussstructure,US4282619A[P].19810811.
[6]
KALYANMOYD,[J].FiniteElementsinAnalysisandDesign,2011,37(5):447465.
[7]
杨建国,[J].结构工程师,2011,27(S1):280284.
[8]
[J].金属铸锻焊技术,2011,40(23):156157.
[9]
LEIP,LIL,TENGL,[J].StructuralandMultidisciplinaryOptimization,2014,50(2):329346.
[10]
陈艺,张子军,&有限元分析在机械设计中的应用:ABAQUS分析桁架结构[J].现代农业装备,2007(5):4046.
[11]
王栋,张卫红,[J].应用力学学报,2002,19(3):7276.
 
-全文完-