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裝配式支撐系統(tǒng)是一種以裝配式腳手架為支承的結(jié)構(gòu)，形式靈活，拆裝快捷，可重復(fù)利用，適用于各類室內(nèi)、室外工程。近年來，由于其優(yōu)越的性能，在歐美等國的各種工程施工中得到廣泛的應(yīng)用。裝配式腳手架支撐結(jié)構(gòu)由連接G型卡的橫桿、連接U型卡的立桿、插銷、斜桿四部分組成，如圖所示。C型卡和U型卡分別焊接在橫桿和立桿上，安裝時將兩扣件在適當?shù)奈恢孟嗫郏儆刹邃N穿插其間實現(xiàn)橫桿和立桿的連接，上下立桿之間采用內(nèi)插套管連接，斜桿連接在U型卡上以加固該支撐結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。在橫一立桿節(jié)點結(jié)構(gòu)中，當橫桿受到豎直載荷時，橫桿牽動G型卡偏下傾斜變形，同時插銷受到G型卡水平位置分力的作用，會與U型卡內(nèi)表面產(chǎn)生接觸摩擦擠壓變形，當受載荷過大時，U型卡變形嚴重，導(dǎo)致工程安全事故。插銷的側(cè)面與U型卡內(nèi)表面接觸摩擦擠壓，與結(jié)構(gòu)的荷載、結(jié)構(gòu)的材料、邊界條件等有關(guān)，屬于非線性接觸問題，用一般的常規(guī)分析方法解決比較困難，本文嘗試用ANSYS中的接觸單元法對插銷與U型卡之間的接觸強度進行模擬分析，將在非線性接觸中的有限元分析結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)比對，找到結(jié)構(gòu)最優(yōu)化方案。
接觸單元法是用界面的正應(yīng)力和剪應(yīng)力以及界面位移約束來描述界面的孰結(jié)開合狀態(tài)，其特點是接觸界面的區(qū)域大小和相互位置以及接觸狀態(tài)事先未知，隨時間變化，需要在求解過程中確定，且接觸條件屬于單邊性，表現(xiàn)出強烈的非線性，能夠很好地模擬結(jié)構(gòu)面的變形和受力特性。但由于接觸問題是一種高度非線性問題，求解收斂較為困難。根據(jù)非線性接觸理論，接觸表面的摩擦力，即接觸面切向力在熟性階段為：ANSYS程序具有強大的接觸分析能力，它支持剛體一柔體和柔體一柔體的面一面接觸單元，剛性面被當作“目標面”分別用Targe169和Targe170來模擬2D和3D的“目標”面，柔性體的表面被當作“接觸”面，分別選Contac171，Contac172和Contac173，Contac174來模擬2D和3D的“接觸”面。目標單元和接觸單元跟蹤變形階段的運動，構(gòu)成一個接觸對目標單元和接觸單元通過共享的實常號聯(lián)系起來。
本文采用Pro/E三維軟件進行三維幾何建模，通過參數(shù)化建模的方式，可以方便地建立裝配式腳手架支撐結(jié)構(gòu)的三維模型。通過Pro/E對裝配式腳手架某一個節(jié)點結(jié)構(gòu)的C型卡、U型卡、橫桿、立桿的單獨零件建模，然后再進入裝配環(huán)境對零件進行裝配，如圖所示。最后，通過Pro/E與ANSYS接口導(dǎo)入ANSYS軟件中進行有限元分析。橫桿和立桿采用Beam188梁單元模擬，對于那些由于幾何、材料、荷載或分析結(jié)果要求考慮細節(jié)等原因造成無法用簡單的單元進行建模的結(jié)構(gòu)，只能使用三維實體單元，所以在本例中，G型卡和U型卡采用SOLID45模擬。接觸單元用Contac173，目標單元用Targe1700用lselr，length，用lesize設(shè)置線劃分的份數(shù)，用掃掠(VSWEEP)生成四面體或六面體單元，如圖所示，劃分網(wǎng)格后共得到單元86324個，節(jié)點163539個。
有限元分析插銷和U型卡接觸問題的關(guān)鍵在于能否較好地模擬接觸面上的擠壓應(yīng)力和錯動變形的發(fā)展，以充分反映插銷U型卡接觸面的受力分析及變形特性。本文采用了剛體一柔體的面一面接觸單元，接觸擠壓時，U型卡內(nèi)表面變形受力面積大于插銷側(cè)面，所以，U型卡內(nèi)表面屬于剛性“目標”面，采用三維目標單元Targe170模擬，插銷側(cè)面屬于柔性“接觸”面，采用三維4節(jié)點接觸單元Contac173模擬。同時，定義軸向接觸面的接觸剛度KFN=0.3，用拉格朗日乘子法和罰函數(shù)的結(jié)合法進行求解。如圖所示對立桿上頂面和下底面進行UX，UY，UZ全方位約束，橫桿選連接某一節(jié)點的一端，實際工程中，橫桿在水平方向是固定的，所以對橫桿端部進行UX，UY，UZ的全方位約束，考慮到橫桿自重、橫桿上面所放模板自重、材料重量以及施工人員的自重，可以考慮給橫桿施加2000N的力。取U型卡的材料為Q345，取安全系數(shù)為1.5，則許用應(yīng)力230MPa，圖所示為總體應(yīng)力的等值線和U型卡VonMises應(yīng)力等值線，可以看出，對于裝配式腳手架節(jié)點整體結(jié)構(gòu)來說，絕大部分應(yīng)力分布在214MPa，零件U型卡薄壁應(yīng)力圖中，部分應(yīng)力分布在0.89-215MPa之間，符合材料的許用應(yīng)力。
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