钢板折弯型对接扣件的设计与优化

卿启维,　王　凯,　封静敏

(西安理工大学 机械与精密仪器工程学院, 西安 710048)



钢板折弯型对接扣件的设计与优化

卿启维,王凯,封静敏

(西安理工大学 机械与精密仪器工程学院, 西安 710048)

市售的对接扣件大都是由两个半圆的环扣铰接,采用螺栓、螺母将扣件和钢管固定的形式,缺陷较多,威胁到施工的安全。依据EN-74标准,提出一种用楔形装置实现快速锁紧的钢板折弯型对接扣件,建立该扣件的实体模型、有限元模型,依照EN-74标准的相关技术要求,对扣件的抗弯强度进行有限元数值模拟。探明了扣件抗弯强度与楔形块位移之间的关系;指出提高扣件技术等级的优化方向。结果表明:设计的对接扣件的抗弯强度符合技术要求,当对接扣件预紧,楔形块位移为4 mm时,同时在钢管两端施加4 650 N的压力,扣件变形量为2.872 mm，远远小于5 mm，可以满足EN-74标准要求。

钢管; 钢板折弯型对接扣件; 抗弯强度; 楔形块

0　引　言

建筑业是我国经济发展的支柱产业,它的高速发展也为扣件行业提供了广阔的空间。但国内扣件的生产与使用并不规范,由于扣件质量原因而引起的伤亡事故时有发生。针对这一问题,笔者对市场上的对接扣件做了大量的抗弯特性实验[1-7],大多不符合EN-74标准。基于此,笔者设计一种新型的钢板折弯型对接扣件,利用有限元方法对这种钢板折弯型对接扣件进行抗弯特性的分析与判定,希望能为该产品的批量生产提供理论依据。

1　模型建立与参数设定

1.1钢板折弯型对接扣件实体模型

根据EN-74标准提出的技术要求,设计了新型的钢板折弯型对接扣件。其结构采用斜楔式滑块锁紧结构代替传统对接扣件的螺栓、螺母锁紧结构;采用锻造件代替传统的铸造件。

经过力学分析,扣件基本达到EN-74标准的要求。为了进行精确设计和优化,建立了扣件的实体模型,进行力学特性研究。用PRO/E软件,建立钢板折弯型对接扣件的三维实体模型,模型如图1a所示。根据钢板折弯型对接扣件抗弯强度实验方案,建立对接扣件抱紧两钢管时的三维实体模型,模型如图1b所示。其中钢管外径是48.3 mm,壁厚3 mm,符合国际标准。

图1　钢板折弯型扣件的建模Fig. 1　Modeling sleeve plate bending type coupler

1.2实体模型的简化

建模过程中,为了有效地提高计算效率,在不影响全局计算结果的情况下,对扣件局部细微结构进行合理简化。首先,忽略扣件的圆角、倒角,以防止在划分网格时出现单元形状不好,网格质量差的警告;其次,把对接扣件中的点面接触和线面接触,改为面面接触,这样可以减少其应力集中,以便在后续的接触分析计算中能尽快地收敛;最后,根据扣件的对称性,在建模时只需建立一半的实体模型,不仅提高了建模的速度，还提高了网格划分的效率。

1.3参数的设定

对接扣件所有材料均采用Q235冷轧钢材。在有限元分析中Q235冷轧材料的常用参数主要包括密度ρ、弹性模量Ε、泊松比μ、屈服强度σs、抗拉强度σt、延生率δb等,常温下材料的参数如表1所示。

（2）大纵坡桥梁应该结合工程的实际情况，选择合适的施工位置，并且根据曲线行驶的特点来实施分联布置缩短尺寸。

表1　零件材料的常温物理机械性能参数Table 1　Physical and mechanical properties at room temperature parameters of parts and materials

2　有限元模型与网格细化

2.1有限元模型

将简化对接扣件抱紧钢管的三维实体模型导入Ansys,选用三维实体网格 (六面体、四面体、混合网格) 对扣件及钢管进行网格划分,生成六面体主导的网格并有三棱柱、金字塔、四面体单元作为过渡。六面体网格是有限元计算中效率最高、精度最好的网格形式。

网格划分时,参数选择必须合理,网格过粗可能导致计算结果发生严重的错误;网格过密会延长计算时间,甚至不能运行。文中采用自由网格、映射网格、扫掠网格的混合网格划分。首先,把扣件三维实体模型用面分割成一个个规格的六面体模型和不规则的实体模型;然后,进行布尔Glue操作。规则的六面体模型采用映射网格的方法划分,不规则的实体模型采用自由网格的方法划分,钢管采用扫掠网格的方法划分。这样,划分的网格更加规则,数量更少;可以提高计算效率。整个有限元模型包括 128 761个节点和72 453个单元。钢板折弯型对接扣件模型网格划分结果如图 2 所示。

图2　模型的网格划分Fig. 2　Mesh model

2.2局部区域网格细化

在有限元分析中,为了提高楔形块与扣件壳体接触部位的计算精度,对该接触区域的网格进行调整。调整方法是对该区域的网格进行细化处理,创建细化点,通过设置参数对细化点附近的网格进行细化。有限元模型接触部位细化后,大大提高了计算的精度和计算的收敛性。钢板折弯型对接扣件模型网格强细化结果如图 3所示。

图3　模型的网格细化Fig. 3　Mesh refinement model

3　有限元模型的约束和载荷

3.1预紧力

设计的对接扣件采用斜楔式滑块锁紧机构,为了使脚手架和扣件可靠固定,必须在斜楔上施加一定的预紧力。传统扣件采用的是螺栓连接,需在螺栓上施加紧固扭力矩40 N·m[8-12]。根据螺栓连接扭力设计公式可得到扣件抱紧钢管时的预紧力为1.67×104N。楔形块在扣紧时要能够自锁,因此楔形块倾斜角必须小于其摩擦角,设计楔形块倾斜角为8°。根据其倾斜角度,经过力学分析与计算,为了能够得到大于1.67×104N的预紧力,楔形块位移量应大于3 mm。文中直接在斜楔构件的大端面上施加多个位移边界条件,取其位移值分别为4、6、8、10 mm,刚度设为8.3×103N/mm。获得不同预紧力下对接扣件的位移变形云图。根据位移变形云图判断对接扣件是否符合EN-74相关标准。找出在相同的抗弯力矩作用下,楔形块位移与扣件整体变形位移变形量之间的关系。

3.2约束条件

对接扣件抗弯实验原理如图4。根据EN74-1∶2005表8,当弯矩M加大到1.4 kN·m也就是当b等于300 mm时,P达到9.3 kN,Δ4≤5 mm,扣件抗弯质量合格,否则为不合格。

图4　抗弯实验原理Fig. 4　Bending principle

为了简化运算,考虑到扣件模型的对称性,软件模拟时,只在扣件中间截面选了4个固定不动点,钢管的两端各一个点承受弯矩,如图5所示。仿真内容只关心两侧端点的整体变形量,看其能否达到EN74标准,暂不关心该点的受力情况。因此,仿真结果中这些局部的受力点载荷均已超出其屈服极限。

图5　位移约束与加载Fig. 5　Displacement constraints and loading

在实体件实验中,两侧的受力是面载荷,中间位置也是面载荷,因而不会出现零件局部载荷超过屈服强度的问题。

3.3接触问题

对接扣件模型是组合体,因此,它不可避免地存在接触问题。在Ansys分析中,Ansys不会直接读出组合体的关系,它默认组合体零件之间是分开的,所以将扣件模型导入Ansys后必须进行布尔add或glue操作,将无相对移动的零件合并在一起,将有相对移动的零件用接触对连接起来。

为了使分析的结果和实际相吻合,采用Contact 向导建立接触时,首先建立接触单元,然后再建立接触对,最后设置接触基本参数,即计算方法、接触刚度、接触容差、摩擦系数等。

计算方法采用扩展拉格朗日乘子法,其中关键参数接触刚度(FKN),它越小越容易收敛,但精度不好;若FKN越大,则穿透越小,计算精度会越高。因此，在第一次计算收敛后,将FKN改大些,再重新计算,直到得到一个准确的结果。

接触中有小位移、小滑移发生,接触问题也属于非线性问题,Ansys 线性分析模块在采用扩展拉格朗日乘子法模拟此类接触时,内部进行多次迭代运算以搜索接触的平衡状态。扣件型模的接触问题主要存在于三个方面,一是楔形块上表面与圆钢件的外表面,二是斜楔块下表面与对接扣件壳体表面,三是对接扣件壳体内表面与两钢管外表面之间。

前两者其接触类型都为面-面接触,面接触行为属于标准的有摩擦接触,摩擦系数为0.12。FKN选0.1,接触容差选0.1。

对接扣件壳体内表面与两钢管外表面之间的接触,也是面-面接触,但考虑到钢管外表面有镀锌层,摩擦系数设为0.11。因为这一接触区域的计算更容易收敛,为了得到更精确的计算结果,FKN设为1.0,接触容差选0.05。

3.4载荷施加

钢板折弯型对接扣件是安装在脚手架上的,虽然其自身重力的作用下会产生一定的载荷,但与其外部施加的载荷相比,扣件模型的重力荷载可以忽略不计。

根据EN-74标准,须对扣件钢管两端施加4 650 N的压力[1],扣件中间固定不动。仿真时,压力方向与扣件缝口垂直;扣件预紧力必须要达到1.67×104N。根据楔形块的长度和倾斜角,在斜楔滑块上分别施加4、6、8、10 mm的位移,载荷子步均设定为20步。位移的方向为斜楔块与圆钢件接触面的切线方向。

4　仿真结果分析

钢管在无承受弯矩且扣件楔形块位移为4 mm时的等效应力,如图6所示。从图6的应力云图可以看出,在楔形块位移为4 mm时产生的预紧力作用下,对接扣件模型整体应力小于230 MPa,小于屈服应力极限σs。对接扣件最大应力σmax发生在扣件两端横梗与扣件壳体交接处。因此,扣件优化时,应加大其交接处的厚度或改变材料增加其屈服强度。

图6　楔形块10 mm位移的等效应力图Fig. 6　Equivalent sought of wedge 10 mm displacement

当楔形块位移分别为4、6、8、10 mm时,依据EN74标准,对钢管两端施加4 650 N 的压力载荷,仿真得到x方向的位移变形云图,如图7所示。

从图7可以看出,楔形块的预紧位移Δ量不同时,钢管发生的最大位移smax均在其两端,但都小于3 mm,即扣件的位移量Δ4< 3 mm。因此,对于上述几种预紧情况,扣件均达到EN74标准5 mm。

楔形块预紧时所产生的位移,扣件中间位置承受9 300 N压力后,产生的整体变形的最大位移,二者参数见表2。

表2　楔形块位移与对接扣件最大变形位移Table 2　Sleeve coupler wedge displacement and maximum deformation displacement

由表2可知,当楔形块的预紧位移量在4～10 mm时,钢管两端的最大位移量差别不大,扣件两侧的位移量差别也不大。但是,随着楔形块位移量的增加,其在扣件上产生的应力却快速增大。为了提高扣件的使用寿命,减少其损坏,在预紧时,楔形块位移为4 mm即可,不需要过大的位移量。

图7　钢板折弯型对接扣件变形图Fig. 7　Deformation maps of sleeve coupler

5　结　论

(1)有限元静态力学分析结果表明,在对楔形块施加4 mm位移条件下,钢板折弯型对接扣件最大应力处于230 MPa 以下,最大应力发生在扣件两端衡梗与扣件壳体交接处。由此,扣件优化时,应加大其交接处的厚度,或改变形状,或更换材料,提高其屈服强度。

(2)钢板折弯型对接扣件预紧时,若楔形块位移4 mm,同时在钢管两端施加4 650 N的压力,得到的扣件变形量Δ4=2.872 mm,小于5 mm，说明该设计其扣件满足EN74标准中抗弯性能的要求。

(3)在满足预紧要求(1.67×104N)的情况下,预紧力的增加,对扣件抗弯性能的影响不大,但扣件的应力将急剧增大.因此,在预紧扣件时,不需要施加过大的预紧力。

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(编辑徐岩)

Design and optimization of sleeve plate bending type coupler

QINGQiwei,WANGKai,FENGJingmin

(School of Mechanical & Precise Instrument, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

This paper is specifically devoted to a novel study motivated by the need to seek an alternative to currently available sleeve couplers consisting typically of two semi-circular buckles hinged by bolts, namely using bolts and nuts to fix couplers and steel pipes, accompanied by a greater number of defects posing threats to the safe production. This study is best performed by designing a device by which to produce fast locking wedge plate bending coupler as specified by EN-74 standard; developing a solid model and finite element model for sleeve coupler; and performing numerical simulation of coupler bending strength applying relevant EN-74 standards-related technical requirements and using finite element method; and gaining a better insight into the relationship between the coupler’s bending strength and wedge’s displacement and thereby providing the optimization direction for improving coupler performance. The results demonstrate that this sleeve plate bending type coupler boasts bending strength up to the technical requirements and EN-74 standard, as when sleeve couplers are pre-tightened, with resultant wedge block displacement of 4 mm and simultaneously they experience deformation of 2.872 mm, significantly less than 5 mm due to the application of pressure of 4 650 N at both ends of steel pipes.

steel; sleeve plate bending type coupler; bending strength; wedge

2014-11-18

卿启维(1988-),男,四川省自贡人,硕士,研究方向:机电系统测试与智能控制系统,E-mail:342052144@qq.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.01.020

TB121

2095-7262(2015)01-0092-05

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