鋁合金型材壁厚與材料變形性能的研究

　　由此可見，提高桿件強度的主要措施就從降低最大彎矩M，增大截面抵抗矩W值及充分利用材料性能[σ]，其中最大彎矩M的變化主要與載荷作用的位置、方式及支座的位置分布有關(guān)，其取決于門窗立面的設(shè)計，與型材截面及材料無關(guān)，在此不作討論。對型材而言，可通過選擇合理截面，以增大截面抵抗矩W值，桿件的合理截面是指桿件在滿足強度條件的前提下，用較少的材料獲得最大的W值，對于面積A相等而形狀不同的截面，可以用比值W/A作為衡量截面經(jīng)濟(jì)合理的批標(biāo)，W/A越大,截面就越經(jīng)濟(jì)合理，由于一般截面中，W與其高度的平方成正比，所以，應(yīng)盡可能地使橫截面面積分布在距中性軸較遠(yuǎn)的地方，所以在實際設(shè)計中，通過使用加強中梃提高截面的有效慣性矩I和截面抵抗矩W比單純通過中梃增加壁厚經(jīng)濟(jì)合理，從上面的公式還可看出，強度校核中彎曲應(yīng)力還與材料的性能特性有關(guān)，在最大彎矩M和截面抵抗矩W已確定時，可以采用不同的材料或狀態(tài)以提高材料的抗彎曲許用應(yīng)力[σ]，對于鋁合金來說，可通過選擇不同的合金牌號，如6063、6063A、6005、6061等，或不同的熱處理狀態(tài)，如T5、T6等來提高材料的抗彎曲許用應(yīng)力[σ]。因此和桿件剛度校核一樣，型材壁厚可通過其變化導(dǎo)致截面抵抗矩W值的變化，從而影響桿件彎曲應(yīng)力校核的強度條件，增加壁厚不是提高截面抵抗矩W值的最佳途徑，因此型材壁厚不是桿件彎曲應(yīng)力校核強度條件的決定因素。

　　剪切應(yīng)力校驗依據(jù)：τmax=(Q*S)/(I*δ)<=[τ]

　　[τ]:材料的抗剪允許應(yīng)力(N/mm²)

　　τmax:計算截面上的最大剪切應(yīng)力(N/mm²)

　　Q:受力桿件計算截面上所承受的最大剪切力(N)

　　S:材料面積矩(mm²)

　　I:材料慣性矩(mm^4)

　　δ:腹板的厚度(mm)

　　從上式可見，剪切應(yīng)力除和型材截面參數(shù)，如慣性矩I、面積矩S及材料特性[τ]有關(guān)外，還和型材腹板的壁厚δ成反比，也就是說增加型材腹板壁厚δ可以減小計算截面上的最大剪切應(yīng)力τmax，因此型材壁厚不是桿件剪切應(yīng)力校核強度條件的決定因素之一，但一般材料的抗剪允許應(yīng)力[τ]遠(yuǎn)小于抗彎曲允許應(yīng)力[σ]，如鋁合金材質(zhì)6063-T5的[σ]=85.5MPa，[τ]=49.6MPa，[τ]=0.58[σ]，所以一般彎曲應(yīng)力校驗?zāi)芡ㄟ^的，剪切應(yīng)力也能通過，故可省略。

　　故對于型材桿件的剛度和強度校核而言，其主要與型材的截面參數(shù)如慣性矩I、抵抗矩W等有關(guān)，其由截面形狀決定，增加型材壁厚是提高截面參數(shù)的一種方法，但不是最佳方法，最好的途徑是應(yīng)盡可能地使橫截面面積分布在距中性軸較遠(yuǎn)的地方，即在保證剛度和強度的前提下，盡可能減小I/A或W/A，這樣型材截面在承載能力和剛度和強度上能保證合理性和經(jīng)濟(jì)性，達(dá)到最大的性價比;另外強度校核還右充分利用材料的性能特性，在型材截面確定的前提下，通過選擇不同的合金牌號或熱處理狀態(tài)，提高材料的抗彎曲允許應(yīng)力[σ]，從而滿足桿件的強度條件。故只有在型材的截面和合金狀態(tài)確定后，壁厚的增減才是關(guān)鍵因素，從而影響桿件的強度和剛度。

　　以下為使用ansys有限元仿真模擬對型材剛度及強度的計算：

　　[σ]:材料的抗彎曲允許應(yīng)力(N/mm²)

　　桿件計算長度：2000mm

　　型材一：

　　變形最大fmax =4.856mm

　　彎曲應(yīng)力最大σmax =73.15Mpa

　　型材二：

　　變形最大：fmax =3.698mm

　　彎曲應(yīng)力最大：σmax =54.79Mpa

　　型材三：

　　變形最大：fmax =2.745mm

　　彎曲應(yīng)力最大：σmax =52.66MPa

　　分析以上計算結(jié)果，增大型材壁厚可以增加型材截面參數(shù)I和W，從而提高桿件的剛度和強度，從而提高型材的抗變形能力(如型材二)，但在不改變型材一壁厚的前提下，改變截面且把截面積盡可能加在遠(yuǎn)離中性軸的地方(型材三)，型材三的截面積與型材二基本一致，但其慣性矩I和 截面抵抗矩W遠(yuǎn)大于型材二，而計算結(jié)果顯示，型材三抗變形能力遠(yuǎn)高于型材二，故在型材截面積相同即重量線密度相同的情況下，型材三截面更為科學(xué)，也說明增加型材壁厚不是提高桿件剛度和強度的最有效手段。

　　但構(gòu)件承載能力的三個內(nèi)容中，還有一個穩(wěn)定性的問題，對于橫向受力桿件，受彎薄壁梁的截面存在局部失穩(wěn)的問題，為防止產(chǎn)生壓應(yīng)力區(qū)的局部屈曲，需采取一些方法加以控制，彈性薄板在均勻受壓下的穩(wěn)定臨界應(yīng)力可由下式計算：

　　式中：E—— 彈性模量;

　　t —— 截面厚度

　　v—— 泊松比

　　—— 截面寬度

　　—— 彈性屈曲系數(shù)，自由挑出部位(邊界條件視為三邊簡支、一邊自由)取0.425，雙側(cè)加勁部位(邊界條件視為四邊簡支)取4.0。

　　由上式可得到型材截面的寬厚比要求，即：

　　式中： f—— 型材強度設(shè)計值，對于6063-T5鋁合金材質(zhì)：

　　對于6063-T6鋁合金材質(zhì)：

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