平板型铝合金格栅结构板式节点的受力性能研究

发布时间：2018-02-09 03:13

本文关键词： 铝合金结构平板格栅结构板式节点支座节点环槽铆钉搭接连接接触模型摩擦系数试验研究数值模拟破坏形态　出处：《浙江大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：板式节点是单层铝合金网格结构的重要连接节点形式,多应用于以薄膜内力为主的单层曲面网壳结构中。目前关于此类节点受力性能和设计方法的研究还非常有限。近年来国内一些重要工程开始将板式节点应用于以受弯为主的平板型屋盖格栅结构中,这也使得对板式节点受力性能和承载能力的研究工作变得迫切。本文结合实际工程,对平板型铝合金格栅结构板式节点进行了试验研究和数值分析,重点调查该类节点的工作机理、有限元模拟方法、受力性能和破坏形式。本文工作包括以下五个方面：(1)通过拉伸试验得到了6061-T6铝合金材料和304HC不锈钢材料的力学性能参数,并测定了环槽铆钉的预紧力。对4组12个铝合金板件环槽铆钉搭接连接进行抗剪试验,发现该类连接的破坏模式有环槽铆钉剪切破坏、板件孔壁承压破坏、板件顶端纵向撕裂破坏与侧边横向撕裂破坏四种。在剪力作用下,环槽铆钉连接的荷载-位移曲线存在摩擦段、滑移段、承压段和强化段四个特征阶段,可取其弹性段终值作用抗剪承载力设计值,此时极限承载力和设计承载力的比值大约为2.3,且该搭接连接属于承压型连接。(2)在环槽铆钉连接抗剪试验的基础上,借助有限元软件ABAQUS对该类连接试件的数值模拟方法进行研究。通过与试验结果对比,考察了实体单元类型、网格密度、接触面摩擦系数大小对数值模型准确性的影响。根据拟合结果,建议铝合金板件间的摩擦系数取0.25,铝合金板件与不锈钢环槽铆钉间的摩擦系数取0.15。指出采用非协调实体单元比单纯提高网格密度更能有效减小计算值和试验值的差距。进一步对两种双铆钉搭接连接试件进行试验测试,同时按上述方法进行有限元分析。发现试验结果和有限元计算结果的荷载-位移曲线、宏观变形形态和各测点应变值,均能较好的吻合,验证了本文针对此类搭接连接提出的有限元建模方法的准确性和有效性。(3)结合实际工程,对两个足尺板式节点试件进行试验研究和有限元分析。考察了加载过程中试件的变形和应力发展情况、破坏形态。可以发现,由于环槽铆钉的预紧力有限,使得盖板和工字铝翼缘板间的摩擦力在加载早期就被克服,两者之间产生明显的滑移。测得的滑移量曲线呈现出摩擦段、滑移段和承压段三个特征阶段,铆杆与铆孔之间的间隙也与滑移段的滑移量数值相当。进一步基于环槽铆钉搭接连接的有限元建模方法建立整体板式节点的数值模型,模拟两个试件的加载过程。可以发现,有限元计算结果不论是在节点竖向位移这类宏观响应指标上,还是在滑移曲线和测点应变曲线等微观指标上均与试验结果有很高的吻合度。(4)基于通过可靠性验证的板式节点有限元建模方法,对标准板式节点在典型内力工况下的受力性能、破坏形态进行数值分析。研究表明,板式节点的破坏形态包括工字铝腹板局部屈曲、工字铝翼缘薄弱截面强度破坏、盖板薄弱截面强度破坏三种。节点各杆件所承受剪力和弯矩的相对大小是影响其承载力的关键因素,而杆件存在较大剪力则是诱发板式节点易发生杆端腹板局部屈曲破坏的主因。当单根杆件承受内力为弯矩主导(剪弯比小)时,节点易发生沿杆件翼缘薄弱截面的强度破坏。而当与节点相连杆件同时出现较大的弯矩时,则节点易发生盖板薄弱截面的强度破坏。弯矩使得上、下部环槽铆钉处于受剪状态,其中受拉翼缘上受力最不利铆钉位于最外环(第5环),而受压翼缘上位于最内环(第1环)。同时,剪力的增加会使连接受压翼缘的铆钉产生拉力作用,其最不利位置为最内环。(5)对一种典型的板式支座节点进行了试验研究和有限元分析。针对该支座节点同时承受较大弯矩和剪力的特点,提出了一种两阶段加载方法来有效模拟其受力状态。研究表明,板式支座节点的薄弱区域为沿杆件受拉翼缘铆钉孔截面,且在该截面处发生断裂破坏。加载结束后,盖板与工字铝受拉翼缘连接区域的应力较高,应力传递路径明显,但分布区域较窄。相比之下,与受压翼缘相连的盖板整体应力水平要低很多。受拉翼缘断裂截面处的环槽铆钉受力最为不利,呈剪切受力状态,但由于不锈钢的强度较高,并未出现铆钉破坏。
[Abstract]:In this paper , the experimental research and numerical analysis are carried out on the load - displacement curve , the stress - bearing capacity and the stress - bearing capacity of the plate - type node . ( 4 ) Based on the plate - type node finite element modeling method verified by reliability , the stress and failure modes of standard plate - type nodes under typical internal forces are analyzed .

【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU395

【参考文献】