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建筑業(yè)和大型裝備制造業(yè)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，其高速發(fā)展為扣件行業(yè)的發(fā)展提供了的廣闊空間。但國(guó)內(nèi)扣件的生產(chǎn)與使用并不規(guī)范，由于扣件質(zhì)量原因而引起的傷亡事故時(shí)有發(fā)生。對(duì)歷年來(lái)涉及到扣件的事故分析表明，由于傳統(tǒng)鑄造扣件的結(jié)構(gòu)精度較差，在一定的載荷下，易造成腳手架整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)坍塌。傳統(tǒng)扣件采用鑄造工藝，無(wú)法解決砂眼、氣孔和質(zhì)地疏松等問(wèn)題，容易斷裂。且扣件精度不夠，上緊時(shí)與鋼管產(chǎn)生點(diǎn)、線接觸，受力時(shí)易產(chǎn)生相對(duì)滑移。又由于其采用螺栓螺母上緊結(jié)構(gòu)，施工操作時(shí)效率低下，且螺紋長(zhǎng)期暴露在外極易生銹毀損導(dǎo)致無(wú)法拆卸，每批次使用損耗率高，在生產(chǎn)制造過(guò)程會(huì)造成二次能源消耗、污染環(huán)境，故其結(jié)構(gòu)有待進(jìn)一步的改進(jìn)。本文就是根據(jù)這一背景，設(shè)計(jì)出了一種新型扣件結(jié)構(gòu)，有效地改善了其各種缺點(diǎn)，并通過(guò)利用有限元方法對(duì)這種新型扣件進(jìn)行了力學(xué)性能有限元分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)與仿真分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，表明所設(shè)計(jì)扣件結(jié)構(gòu)合理，為扣件后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
1.1腳手架扣件實(shí)體模型的建立新型扣件結(jié)構(gòu)采用斜楔式滑塊鎖緊結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)扣件的螺栓螺母鎖緊結(jié)構(gòu)，采用折彎件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鑄造件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)工藝不復(fù)雜，適合于單件大批量生產(chǎn)。在二維設(shè)計(jì)草圖的基礎(chǔ)上，采用先進(jìn)的三維實(shí)體建模軟件PRO/E，建立扣件的三維實(shí)體模型。
1.2腳手架扣件實(shí)體模型的簡(jiǎn)化建模過(guò)程中，在不影響全局計(jì)算結(jié)果的情況下，對(duì)其一些局部細(xì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，以便有效地提高計(jì)算的效率。另外，根據(jù)模型的對(duì)稱性，在建模時(shí)只建立其一半的實(shí)體模型，這樣不僅提高了建模的速度還提高了網(wǎng)格劃分的成功率。
1.3腳手架扣件參數(shù)的設(shè)定組成腳手架扣件的所有材料，均為金屬材料，在有限元分析中金屬材料常用參數(shù)主要包括密度p、彈性模量E、泊松比林、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延生率等，常溫下其不同材料的參數(shù)數(shù)值。
2.1有限元模型將簡(jiǎn)化過(guò)的三維實(shí)體模型輸入ALCOR中，選用三維實(shí)體網(wǎng)格(六面體、四面體、混合網(wǎng)格)對(duì)裝置進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成六面體主導(dǎo)的網(wǎng)格并有三棱柱、金字塔、四面體單元作為過(guò)渡。六面體網(wǎng)格是有限元計(jì)算中效率最高、精度最好的網(wǎng)格形式。網(wǎng)格劃分時(shí)，參數(shù)選擇必須合理，網(wǎng)格過(guò)粗可能導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果發(fā)生嚴(yán)重的錯(cuò)誤；網(wǎng)格過(guò)密會(huì)使計(jì)算時(shí)間很長(zhǎng)，甚至不能運(yùn)行閉。本文采用混合網(wǎng)格劃分(自由網(wǎng)格、映射網(wǎng)格、掃掠網(wǎng)格)，這樣使網(wǎng)格劃分更加合理，整個(gè)有限元模型包括56748個(gè)節(jié)點(diǎn)和69990個(gè)單元。
2.2網(wǎng)格細(xì)化的處理有限元分析中為了提高關(guān)鍵部件的計(jì)算精度，需要對(duì)局部的網(wǎng)格進(jìn)行調(diào)整，本文通過(guò)ALCOR提供的網(wǎng)格調(diào)整技術(shù)-一網(wǎng)格細(xì)化對(duì)模型網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。程序根據(jù)模型幾何特征智能確定細(xì)化部位，模型中的大曲率部位和部件接觸部位為部件的應(yīng)力集中區(qū)域，將創(chuàng)建細(xì)化點(diǎn)，通過(guò)設(shè)置參數(shù)對(duì)細(xì)化點(diǎn)附近的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。
2.3表面增強(qiáng)的處理有限元模型中表面的網(wǎng)格質(zhì)量是最關(guān)鍵的，因?yàn)楸砻嫱ǔＪ菓?yīng)力最大的區(qū)域。采用表面網(wǎng)格增強(qiáng)處理可以有效提高網(wǎng)格質(zhì)量，因?yàn)锳LCOR基于表面網(wǎng)格向內(nèi)部擴(kuò)展生成三維實(shí)體網(wǎng)格，高質(zhì)量的表面網(wǎng)格不僅能夠保障計(jì)算精度，還可以保證生成質(zhì)量更好的立面體主導(dǎo)網(wǎng)格。表面增強(qiáng)功能可以對(duì)表面網(wǎng)格進(jìn)一步調(diào)整和細(xì)化，得到更加規(guī)則和均勻的表面網(wǎng)格。
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