基于UG的轻量化焊接桁架结构优化研究

杨景宇 任何东 李超林 赵昭 丁义超 刘海琼 张小山

摘要：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267 N/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45 kN，承载力与质量之比为250 N/g，具有良好的性价比。

关键词：轻量化；桁架结构；UG仿真；焊接工艺

中图分类号：TP237文献标志码：A

文章编号：2095-5383（2019）01-0007-05

Structural Optimization of Lightweight Welded Truss based on UG

YANG Jingyu， REN Hedong， LI Chaolin， ZHAO Zhao， DING Yichao， LIU Haiqiong， ZHANG Xiaoshan

（School of Materials Engineering， Chengdu Technological University， Chengdu 611730， China）

Abstract： The truss structure was designed based on triangularminimally stable bracing and inspired by the design of high voltage tower and Eiffel tower. Under the condition that the distribution and quantity of solder joint are reasonable， an optimized structure was obtained. UG was used to simulate its bearing performance. The results show that when the size of truss rods are （6+8）， its unit bearing capacity is 267 N/g， and the failure position is located at the bottom joint. Meanwhile， the experimental results show that the maximum bearing capacity is about 45 kN. The ratio of bearing capacity to mass is 250 N/g， which indicates a good performanceprice ratio.

Keywords： Lightweight； Truss Structure； UG Simulation； Welding Process

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（451 g/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（275 g/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http：//paper. cdtu. edu. cn/第22卷

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5～6 mm，喷嘴距工件8～12 mm，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4043 AlSi5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6 mm，承力杆直径为8 mm时，桁架结构质量为180 g，高度160 mm，模拟承载力48 kN，模拟最大应力为41644 MPa，模拟出单位质量承载力是267 N/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45 kN。实验中测得桁架结构的质量为180 g，因此Ⅱ号框架结构的单位承压力为250 N/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45 kN，单位承载力为250 N/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267 N/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250 N/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。参考文献：

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