论文 | 基于有限元分析的穿孔铝板性能探究
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2024-12-23 13:00
北京
作者：中建东方装饰有限公司 吴涌泉、王 金、王启兵、龙常翔 通过ansys模拟与规范公式计算结果相比较，证明基于ansys对铝板进行模拟结果可靠。对穿孔铝板进行数值模拟，表明穿孔率对穿孔铝板性能影响较大，且孔的形状越圆滑越有利于穿孔铝板性能。
在幕墙工程中，穿孔铝板因其轻质、通风性好，以及可通过孔洞设计拼接出气势恢宏的图案而在视觉艺术上具有独特优势，逐渐应用于建筑的外立面装饰。然而，作为外立面装饰，穿孔铝板需要承受自身重量和风荷载，因此对其抗弯强度提出了要求。穿孔铝板作为板壳结构，其抗弯承载能力、弯曲刚度和受荷面积都与其穿孔率密切相关。由于穿孔率的存在，板块刚度难以通过公式计算，因此需要借助ANSYS等有限元计算软件进行验证。 根据《金属与石材幕墙工程技术规范》JGJ133-2001，铝板的弹性模量为0.7×10^5 MPa，泊松比为0.33。计算选取铝单板板块1m×1m，厚度为3mm，四边简支模型计算并考虑风荷载1.5kPa。通过参考规范公式，计算出铝单板最大应力为22.067MPa，最大挠度为15.549mm。若不考虑折减系数铝单板最大应力为48.9MPa，最大挠度为34.456mm。 基于ansys有限元计算软件中，shell181适用于薄到中等厚度的壳结构，该单元有强大的非线性功能并具有应力刚化及大变形功能，故选择该单元。铝板数据保持一致，按1.5kPa加载。网格尺寸取4mm，分别按线性求解以及打开大变形非线性求解。其铝单板最大应力为36.818MPa，最大挠度为11.5808mm。若不考虑折减系数铝单板最大应力为53.851Pa，最大挠度为34.5127mm。 根据以上结果，不考虑大变形的情况下，ansys计算结果与规范计算基本一致。但考虑大变形后ansys挠度计算结果明显小于公式计算，这是由于规范的金属板的计算是基于小挠度理论，通过乘以折减系数考虑大挠度的影响，而该规范在规定折减系数时，为安全稳妥，取了较厚板厚，因此公式计算结果偏大。而ansys在进行应力计算时约束位置会产生应力集中现象，实际板块在在破坏是也是连接的尖点位置容易发生破话。综上，基于ansys模拟金属板分析结果可信，且选用shell181单元、考虑大变形影响等边界条件设置合理。 穿孔铝板大多为均匀穿孔，孔与孔之间的形状大小间距均相同，为验证均匀铝板穿孔特性的影响。采用第一节的条件建立穿孔铝板模型，考虑风荷载1.5kPa并以四边简支模型计算，铝板的穿孔率选择5%-70%；同样穿孔铝板与铝板材质相同，故弹性模量以及泊松比与铝单板一致。 穿孔铝板a，选取1m×1m，厚度为3mm，开孔数量100； 穿孔铝板b，选取1m×1m，厚度为3mm，开孔数量400； 穿孔铝板c，选取1m×1m，厚度为3mm，开孔数量625； 穿孔铝板d，选取1m×1m，厚度为3mm，开孔数量900； 穿孔铝板e，选取1m×1m，厚度为3mm，开孔数量1225； 穿孔铝板f，选取1m×1m，厚度为3mm，开孔数量1600； 结果表明：1.穿孔率以及相同穿孔率下孔的数量，均对穿孔铝板的整体性能产生影响； 2. 穿孔铝板与未穿孔板相比，穿孔会使铝板的强度损失严重，而穿孔率在5%-50%之间时，穿孔铝板的整体应力变化不大，但穿孔率大于50%时应力变化加剧。 3.相同穿孔率下孔的数量对板块的整体性也处在一定的影响，孔的数量越多，板块性能越好，但总体影响有限。 4.当穿孔率提高达到60%以上，孔与孔之间的间距极小，这时板块在进行有限元分析时对网格尺寸极为敏感，且易于在约束以及孔边缘产生应力集中现象。 5.板块在尖点以及约束处会产生应力集中现象，网格的划分密度会影响应力结果，但挠度受网格密度的影响较小，选取挠度结果作为穿孔铝板性能比较指标较为合理。 为探究穿孔铝板厚度对其性能影响，铝板各项性能参数均与上一节相同，穿孔铝板厚度作为自变量范围2.0mm-6.0mm，选取1m×1m，开孔数量400； 结果表明：铝板厚度与穿孔铝板性能之间关系呈现为较好的线性关系，不同穿孔率下，其厚度-位移曲率接近，故穿孔率对厚度-位移的关系并未有较大的影响； 为探究穿孔铝板尺寸对其性能影响，铝板各项性能参数均与上一节相同，穿孔铝板边长作为自变量范围1.0m-3.5m，厚度为3mm，穿孔率为50%，开孔数量400； 结果表明：相同穿孔率下，铝板尺寸与穿孔铝板性能之间关系呈现为较好的线性关系。 穿孔铝板孔尺寸为1mx1m，风压为1.5kPa，厚度3mm，穿孔率为30%，穿孔数量为400。 结果表明：1.穿孔形状影响穿孔铝板的性能，最优的形状为圆型，越趋于圆滑的孔其对铝板的削弱作用明显小于尖锐形状的孔；孔形状相同时，转动角度变化对铝板性能没有影响。 本文通过ansys软件对铝单板受力性能进行模拟，其计算结果与规范公式计算结果接近。这表明基于ANSYS的金属板分析结果具有可信度，同时也验证了Shell181单元的选用以及边界条件的设置是合理的。 对于穿孔铝板，其性能受到穿孔形状、数量、穿孔率以及板块自身尺寸等多个因素的影响。模拟结果显示，穿孔对铝板性能的折减作用并非简单的线性关系。此外，不合理的形状和穿孔率选择容易导致约束处出现应力集中现象，对铝板性能产生不利影响。并且通过模拟结果得出，将穿孔率控制在45%以下较为合理，孔的形状选择尽可能的圆滑。
