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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構，形式靈活，拆裝快捷，可重復利用，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用。裝配式腳手架支撐結構由連接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構系統(tǒng)。在橫一立桿節(jié)點結構中，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，導致工程安全事故。插銷的側面與U型卡內(nèi)表面接觸摩擦擠壓，與結構的荷載、結構的材料、邊界條件等有關，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果與試驗數(shù)據(jù)比對，找到結構最優(yōu)化方案。
接觸單元法是用界面的正應力和剪應力以及界面位移約束來描述界面的孰結開合狀態(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，能夠很好地模擬結構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構的三維模型。通過Pro/E對裝配式腳手架某一個節(jié)點結構的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構，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型卡接觸問題的關鍵在于能否較好地模擬接觸面上的擠壓應力和錯動變形的發(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，則許用應力230MPa，圖所示為總體應力的等值線和U型卡VonMises應力等值線，可以看出，對于裝配式腳手架節(jié)點整體結構來說，絕大部分應力分布在214MPa，零件U型卡薄壁應力圖中，部分應力分布在0.89-215MPa之間，符合材料的許用應力。
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