铝合金圆管受弯构件数值分析

2016-08-23姜陆彬合肥工业大学土木与水利工程学院安徽合肥230009

安徽建筑 2016年3期

姜陆彬　（合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽　合肥　230009）

铝合金圆管受弯构件数值分析

姜陆彬（合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥230009）

简述了铝合金圆管受弯构件的数值模拟研究，通过运用有限元软件ANSYS对铝合金圆管受弯构件进行了分析。在有限元模型中，考虑了试件的几何非线性和材料非线性，试件两端承受简支边界条件，对试件跨中施加一个竖向面荷载。为了获得不同试件的极限荷载，本次模拟共模拟了34个试件，两种直径，三种跨度，七种截面厚度。通过参考直接强度法，采用系数折减法，提出了关于铝合金圆管受弯构件直接强度法计算公式，并与有限元结果进行了对比。

铝合金；圆管；受弯构件；数值分析

0　引言

铝合金作为一种新型的建筑材料，由于其质量轻、密度小、外形美观、耐腐蚀性好、低温韧性好、可挤压成型、可循环利用等优点[1]，在现代建筑结构中的应用越来越广泛，尤其是2007年我国制订了《铝合金结构设计规范》[2]，更加推动了铝合金在我国建筑结构中的应用。

铝合金构件作为一种新的结构形式，是由铝合金材料制造而成，其基本构件的力学性能有很多与钢结构相似[3]，但又有些许不同，如铝合金的比强度高、弹性模量低、温度变形大等，因此不能照搬钢结构的计算公式，因此国内外各大高校和科研单位展开了对铝合金结构基本构件的力学性能的研究。目前国内外对铝合金轴压构件的研究比较深入和广泛[4-8]，而对铝合金受弯构件，国内这方面的研究才刚起步。而对于铝合金开孔受弯构件，尤其是圆管受弯构件的研究，在国内是没有的。

1　有限元模型

1.1单元类型和网格尺寸

本文采用SHELL181单元来模拟管材，此单元为4节点壳单元，每个节点具有六个自由度，适合用来分析厚度较薄或中等厚度的壳体结构。对模型网格尺寸的划分，本文采用映射网格划分法，每个网格尺寸均为10mm。

1.2材料本构模型

在本次有限元模型中，所采用的铝合金材性数据来自ZHU[9]所做的材性试验。在进行有限元求解时，采用了大变形分析，产生了较大的应变，因此，应采用如下公式将测量得到的应力应变转换成真实的应力应变值：

其中σeng和εeng分别为实验测量得到的应力应变值。

1.3边界条件和模型加载

试件的两端承受简支边界条件，如图1所示。在试件的跨中施加竖向的面位移荷载。

图1　边界条件

1.4模型参数

本次研究的试件模型均由圆管截面组成，圆管截面外径d0为100mm和150mm，厚度t0从2.5mm变化到5.5mm，试件长度为1500mm、2000mm和2500mm。

2　数值结果分析

通过对数值模拟结果的观察，获得了铝合金圆管受弯构件的破坏模式，见表1，其中L代表局部屈曲，G代表整体屈曲。表1同时也列出来了模拟得出的试件的极限荷载。

3　数值结果分析

本文参考香港大学Zhu和Young提出的关于方形铝合金管纯弯构件的抗弯承载力的直接强度法计算公式：

有限元结果表1

考虑到本文所研究的铝合金圆管受弯构件均发生整体屈曲或局部屈曲，因此这里只借鉴了其有关受弯构件局部-整体相关屈曲承载力Mnl的计算公式，通过对其一些参数进行修正，提出了关于铝合金圆管不开孔三点受弯构件的直接强度法建议计算公式：

式中：λl为Mne/Mcrl的开平方；Mne为不考虑局部屈曲影响的受弯构件的整体屈曲承载力，等于φbWfy，W为毛截面模量，fy为材料的屈服强度，φb为受弯构件的整体稳定系数；Mcrl为受弯构件截面的弹性局部屈曲临界弯矩，通过运用有限元软件ANSYS进行特征值屈曲分析求得。采用公式（6），计算结果见表1，其中MFEA为有限元模拟结果。