兩種斷橋鋁型材強度計算方法的差異比較

2022-08-29 00:03:08 字數 3400 閱讀 9363

根據 w=i/0.5 h 的關係不難推出:組合式復合杆的強度是疊合式復合杆的2倍。

現再用二根8×8的泡沫雙面膠條﹙製作隱框玻璃板塊用的那種﹚將二根扁鋼貼牢後再進行彎曲,圖一 ﹙3﹚則為鋼-膠條-鋼組合杆受彎後端頭的狀況,三者的接觸面間並無相互錯動是其主要特徵。現在的情況是膠條有一定的高度;    而且膠條的彈性模量與鋼材的彈性模量比極為懸殊,因此膠條的變形便成為影響桿件剛度和強度不可忽略的重要因素。如圖所示,膠條的變形應是以縱向剪下變形為主。

膠條上緣由於受鋼材1下緣的壓縮變形而形成壓縮,而膠條下緣則由於鋼材2的作用而產生拉伸變形。這種變形影響了上、下鋼材的"組合"作用。使上、下鋼材繞偏移了原各自形心軸的c1』、c2』中性軸產生翹曲。

從端頭的變形可以看出:儘管結合面並無產生錯動,但鋼材1的下端與鋼材2的上端由於膠條的切向變形還是產生了偏移。正是這原因使這種組合既不同於第1種疊合,也不同於第2種剛性組合。

只能算是一種「彈性組合」。此時這種復合杆的截面力學特性應該處於前二者之間。

龍文志先生推導的計算方法是建立在「應變將沿截面高度連續線性變化」這個基本假設基礎上的。這應該是出現差異的根本原因。 圖二 ﹙1﹚是圖一 ﹙3﹚情況的應力分布圖,c1』、c2』為上、下二扁鋼的中性軸,在鋼、膠結合面確存在應力突變,這是因為結合面鋼、膠的變形(應變)相同,所以扁鋼應力σ1/膠條應力σ2為e1/e2。

即σ1= (e1/e2)×σ2。對隔熱型材而言,儘管情況不像上述實驗突出,但鋁材與尼龍彈性模量的比值也己達n=70000/2900,即σ1=24×σ2,因比以上傾問不能不影響隔熱鋁型材的計算。圖二還反應了膠條e值變化對應力分布改變的趨向,當膠條e值逐漸增大時,截面應力將沿著1→2→3→4→5的方問改變,在此過程中c1』、c2』軸會逐漸接近組合截面的形心。

只有當膠條e值等於扁鋼e值時三者才會重合。當然,此時也才是完全的剛性組合。復合杆的截面慣性矩是復合杆截面力學特性的基礎。

其取值的大小直接影響變形計算及強度計算的結果。

三隔熱型材有效慣性矩的定量計算

以上僅僅是對隔熱型材截面力學特性的定性分析和推斷。要滿足工程計算的要求則必須建立有效慣性矩與影響有效慣性矩諸因素之間的數學關係。而且這種數學關係一旦建立後其計算結果還必須能接受力學實驗的驗證。

儘管上述分折認為膠條的縱向剪下變形會影響ief的數值,但要直接將這二者建立數學關係則是十分困難的。哪些因素會影響膠條的縱向剪下變形呢?分析後可認為有以下:

1. 膠條的e值,e值越小,膠條的縱向剪下變形越大。

2. 膠條的高度,膠條越高,膠條的縱向剪下變形越大。

3. 膠條的厚度,膠條厚度越小,膠條的縱向剪下變形越大。

4. 梁的跨度,跨度越大,膠條的應變越小。

ief與is關係中的因子﹙1-ν﹚/﹙1-ν?c﹚能否體現以上因素的影響呢?現摘錄方法二的演算法:ief = is?( 1- )/ ( 1- ? c )

(1)其中:is = i1+ i2 + a1 12 +a2 22

(2) = (a1 12 + a2 22 )/ is

(3) c = λ2/(π2+λ2 )

(4)首先,因子的計算是涉及c、a、l 以及基材e值的。且大致按以下規律變化:

1. 膠條高度↓→ 12、 22↓→ν↓→因子↑

2. 膠條e值↓→c↓→λ2↓→c↓→因子↓

3. l↓→λ2↓→c ↓→因子↓

可以認為:方法二因子的計算與膠條切變因素的影響是吻合的,因子關係式的確定是形成方法二的核心。在己知材料斷面引數的前提下,剛性慣性矩is是很容易計算的,以此作為有效慣性矩的基礎也可被普遍接受。

通過隔熱型材的力學實驗可以得到荷載-撓度的對應關係,利用這個對應關係還可反推出隔熱型材的有效慣性矩ief,因子關係式的確定是不是依靠這些基礎再加上數學擬合手段得出來的「經驗公式」或「半經驗公式」。

四例項計算

用二條截面寬為3高為14的pa66gf25隔熱條(e=2900n/mm2)將二根18×50壁厚為2的鋁合金矩形管(e=70000n/mm2)組合成隔熱鋁型材(如圖)。 當要對隔熱型材進行變形計算及強度計算時必定要計算其慣性矩及抵抗矩。按龍文志先生所介紹的方法,可以將隔熱條寬縮小70000/2900=24倍後生成鋁質「當量截面」,而後再進一步算其「當量截面慣性矩」及「當量截面抵抗矩」。

並且在下一步的計算過程中就直接使用這二個資料。依此方法,算得以上截面為:i=15.

87 cm4 w=6.35 cm3 而按jg/t 175所規定的方法(在e=70000n/mm2,c=80 n/mm2,l=1000 mm的條件下)計算則得: ief=8.

99 cm4 wef=3.60 cm3 (計算書參見附錄)二者相差 15.87/8.

99 =1.77倍!工程計算精度在5%內尚可接受,誤差到10%時就應慎重對待。

如此懸殊的差異必須對其計算方法加以嚴格甄別!

五實驗論證

究竟何種演算法更正確、更合理呢?回答此問題的唯一辦法只能依靠實驗。將具有上例斷面的隔熱型材按下圖搭建成一簡支梁, 其跨度l=1000 mm,在跨中下弦設定乙個千分表並在該危險截面處貼上應變片以便測量撓度及應力,跨中施加 p=1000 n 集中荷載。

按:彎矩m=pl/4=1000×1000/4=250000 nmm 跨中撓度fmax=pl3/(48ei)最大應力σ=m/w

依據方法一,代入i及w後計算結果為: fmax=1.87 mm σ=39 n/mm2

依據方法二,代入ief及wef後計算結果則為: fmax=3.30 mm σ=69.44 n/mm2

實驗結果又將是如何呢?

六結語1.本文通過乙個隔熱橋型材例,同時採用方法一及方法二進行計算後發現:二種方法的計算結果存在較大差異。

2.本文認為: 由於隔熱橋型材變形前的某一橫截面在變形後己不處同一平面。

所以經典力學中解決均質桿件的平面假設---「應變將沿截面高度連續線性變化」己不能成立。方法一在推導計算方法時仍然是建立在以上基本假設基礎上的,這應該是二種演算法產生較大差異的根本原因。

3.為進一步論證二種計算方法的正確性,本文提出乙個力學實驗方案,供下一步深入研究採用。附錄:斷面特性計算方法二:隔熱型材截面如下圖。 通過計算可得:

a1=256 mm2  i1=13781 mm4  a1=16 mm  a2=256 mm2  i2=13781 mm4  a2=16 mm  e=70000 n/mm2  l=1000 mm  c=80 n/mm2

is= i1+i2+a1a12+a2a22

=2×13781+2×256×162

= 158634 mm4

ν =(a1a12+a2a22)/is

=(2×256×162)/158634

= 0.826

λ2=c?a2?l2/(e?is?ν?(1-ν))

=80×322×10002/(70000×158634×0.826×(1-0.826)

=51.329 c=λ2/(π2+λ2)

=51.329/(3.142+51.329)

=0.839

ief=is?(1-ν)/(1-ν?c)

=158634×(1-0.826)/(1-0.826×0.839)

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