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新型輕型全鋼腳手架扣件的開發設計

時間:2020-09-16 11:08作者:李鵬博
本文導讀:這是一篇關于新型輕型全鋼腳手架扣件的開發設計的文章,本文開發了一種新型輕型全鋼扣件,可有效減輕扣件重量,減少對腳手架系統的負載,同時,采用沖壓工藝生產,不僅有效的保證了零件的精度,而且生產效率高,操作簡便,可實現自動化生產。
  摘要
  
  隨著腳手架行業的高速發展,腳手架扣件行業也在朝著生產效率高以及節能環保的方向的發展。目前,施工中采用的腳手架扣件多為鑄鐵扣件,生產效率低,污染大,并且本身的剛性以及韌性較差;谝陨媳尘,本文開發了一種新型輕型全鋼扣件,可有效減輕扣件重量,減少對腳手架系統的負載,同時,采用沖壓工藝生產,不僅有效的保證了零件的精度,而且生產效率高,操作簡便,可實現自動化生產。較傳統鑄鐵扣件的生產,不僅改進了生產工藝過程,而且也提高了扣件的剛性、韌性、抗滑移性能和抗破壞性。


新型輕型全鋼腳手架扣件的開發設計
 
  
  本文的主要內容包括:
  
 。1)對新型全鋼扣件的抗滑性能進行了試驗與有限元分析研究。從試驗中得到,新型全鋼扣件在國家標準要求的載荷下,?1值遠遠小于國家標準要求7mm,抗滑性能達到國家規范要求,又與傳統鑄鐵扣件試驗進行了對比分析,從兩者試驗結果中可以看出,新型全鋼扣件的抗滑性能優于傳統鑄鐵扣件。同時,利用有限元軟件分別建立了新型全鋼扣件模型與傳統鑄鐵扣件模型,通過有限元結果可知,新型輕型全鋼扣件的抗滑性能達到了國家標準要求,并且優于傳統鑄鐵扣件的抗滑性能。最后,通過試驗與有限元結果進行對比分析,提出影響抗滑性能的兩點原因和扣件的抗滑性能修正系數的概念,經計算,抗滑性能修正系數為μ1=0.3,μ2= 0.8,能夠直接通過模擬計算的結果乘以調整系數μ得到試驗中的實際滑行位移,可修正實際施工中因不利因素造成的影響。
  
 。2)分析新型全鋼扣件的生產工藝,并對新型全鋼扣件中典型零件在生產過程中產生回彈現象進行了研究。結合坯料應力-應變的狀態關系,構建零件回彈的數學模型,得到零件成形過程中各個工序的回彈角度,同時,給出了控制回彈的解決方法,為扣件的凸凹模設計提供了理論依據。
  
 。3)對扣件的工藝流程和模具的設計進行研究。首先,對零件進行了工藝性分析,確定了扣件的成型方案,然后建立了生產模具的三維模型與二維模型,并采用ANSYS有限元分析軟件對模具中的凸凹模進行有限元分析,最后,得到模具的最大等效應力與模具的最大變形量,并指出模具中凸凹模的最易受損部位,為新型輕型全鋼扣件的沖壓彎曲模具設計提供了依據。
  
  關鍵詞:   新型輕型全鋼扣件;抗滑性能;回彈;工藝分析;模具設計。
  
  Abstract
  
  With the rapid development of the scaffold industry, the scaffold fastener industry is  also  in  the  direction  of  high  production  efficiency  and  energy  conservation  and environmental protection. At present, most of the scaffold fasteners used in construction are cast iron fasteners, which have low production efficiency, large pollution, and poor rigidity  and  toughness.  Based  on  the  above  background,  this  paper  developed  a  new type of light all steel fastener, which can effectively reduce the weight of the fastener and the load on the scaffold system. At the same time, using stamping technology to produce,  not  only  can  effectively  ensure  the  accuracy  of  the  parts,  but  also  the production efficiency is high, the operation is simple, and automatic production can be realized.  Co MPared  with  the  traditional  production  of  cast  iron  fastener,  it  not  only improves the production process, but also improves the fastener's rigidity, toughness, slip resistance and damage resistance.
  
  The main contents of this dissertantion include: (1)  The  test  and  finite  element  analysis  of  the  anti-sliding  performance  of  the fastener are carried out.  From the test, it is found that under the load required by the national  standard,  the  value  of  ?1  of  the  new  all  steel  fastener  is  far  less  than  the national  standard  of  7mm,  and  the  anti-sliding  performance  reaches  the  national standard. In addition, it is co MPared with the traditional cast iron fastener test. From the test results of the two, it can be seen that the anti-sliding performance of the new all steel fastener is better than the traditional cast iron fastener. At the same time, a newtype of all steel fastener model and a traditional cast iron fastener model are established by using the finite element software. According to the finite element results, the anti-sliding  performance  of  the  new  type  of  light  all  steel  fastener  also  meets  the requirements  of  the  national  standard.  Through  the  co MParative  analysis  of  the  test results and the finite element results, two reasons affecting the anti-sliding performance are put forward, and the concept of the anti-sliding performance correction coefficient of the fastener is put forward. After calculation, the anti-sliding performance correction coefficient is  μ1= 0.3,μ2= 0.8, which is used to correct the influence caused by the unfavorable factors in the actual construction, and the test can be directly obtained by multiplying the simulation calculation results by the adjustment coefficient μ Actual taxi displacement in.
  
  (2) The spring-back phenomenon of typical parts in the production of new light all steel  fastener  was  studied.  Combined  with  the  stress-strain  relationship  of  blank,  the mathematical  model  of  spring-back  of  parts  is  constructed,  and  the  spring-back compensation angle of each process in the forming process of parts is obtained. At the same time, the solution of controlling spring-back is given, which provides a theoretical basis for the design of convex and concave die of fastener.
  
  (3) The technological process of fastener and the design of die are studied. First of all,  the  technological  analysis  of  the  parts  is  carried  out,  the  forming  scheme  of  the fastener is determined, then the three-dimensional model and two-dimensional model of the production die are established, and the finite element analysis of the convex and concave die in the die is carried out by using ANSYS finite element analysis software.
  
  Finally, the maximum equivalent force of the die and the maximum deformation of the die are obtained, and the most vulnerable part of the convex and concave die in the die is pointed out The design of stamping and bending die for new light all steel fastener provides the basis.
  
  Keywords:    new light all-steel fastener; skid resistance; spring-back; process analysis; mold design 。
  
  第1章   緒論
  
  1.1、課題來源。

  
  本文探究的課題來自邯鄲市科學技術研究與發展計劃項目。腳手架扣件生產過程中產生的污染較多,同時,由于生產工藝落后,造成生產成本較高,因此,急需改進扣件的生產工藝,以達到減少對環境的污染、提升產品的生產效率和產品本身品質以及扣件自動化生產的目的,基于此背景展開本課題研究。
  
  1.2、課題立項依據及意義。
  
  60年代初,我國開始使用扣件式鋼管腳手架,由于其具有裝拆相對靈活、搬運也更為便捷和價格較低等特點,故在施工中的應用十分廣泛,目前,扣件式鋼管腳手架在我國腳手架應用中所占的比例達到了60%以上。但鋼管腳手架使用中也會發生一些偶然的安全事故,這不僅有實際應用和管理方面的問題,也有腳手架支撐系統中扣件質量不過關的問題[1]。
  
  緊固件主要是通過沖壓或鑄造工藝生產的,其主要用來緊固腳手架、井架等支撐系統中連接的部位,簡稱為扣件,主要有三種類型,即直角扣件、旋轉扣件和對接扣件。其中,在鋼管式腳手架系統中的扣件主要用于連接和緊固鋼管,在建設施工中的應用相當普遍,其質量的好壞直接關系到建筑施工的安全。因此,開展鋼管腳手架扣件的研制工作就顯得尤為重要。
  
  1.3、腳手架扣件國內外現狀及發展。
  
  1.3.1、腳手架扣件國內外現狀。

  
  目前,腳手架扣件多為鑄造生產,其產品質量較低,污染大,人工成本較高,而沖壓生產工藝過程造成的污染小,并且產品質量較高,性能較好,得到了人們的廣泛認同,因此腳手架扣件在加工的過程中的使用數字一體化的沖壓工藝生產模式將成為未來發展的必然趨勢[2]。
  
  在國內,因為我國腳手架在建筑中應用較多,腳手架的研究方向很多,但對腳手架扣件的生產研究較少。黃麗莉[3]認為目前所使用的鋼管腳手架主要包括扣件式鋼管腳手架、碗扣式鋼管腳手架、承插式鋼管腳手架和門式腳手架,并且大約有70%的建筑施工使用的是扣件式鋼管腳手架,是我國最常使用的腳手架體系之一。同時,腳手架和扣件作為建筑施工中的一種以解決高空作業為目的臨時結構,其質量問題往往被操作人員所忽視,因此,常常引起安全事故的發生,造成了大量的經濟損失。根據王緒旺[4]
  
  等人對引起工程事故因素的調查研究發現,其中通過扣件以及腳手架使用不正確引發的建筑工程事故占據總事故率的1/3左右;并且通過該事故造成的人員傷亡率在總的建筑事故人員傷亡率中達到1/2以上。因此,腳手架和扣件質量的好壞將直接關系到施工進度、項目成本和工程完成的質量。
  
  在國外,許多國家發生過許多災難性的腳手架倒塌事件。因此對腳手架與所用扣件進行了大量研究,近年來對門式組合鋼、插入式和銅鎖式的扣件支架進行了大量研究。Beale[5-6]、Ao[7]和Yue[8]對由扣件搭建的腳手架的穩定能力和設計方法進行了系統研究,這些研究為扣件在單跨或雙跨鋼管連接腳手架中的應用提供了一種可靠的設計方法。Chan[9]等人在對腳手架節點的研究中考慮了預制鋼腳手架中節點均勻加載的分析,使用有效剛度的概念來考慮扣件的連接問題,但其中沒有考慮負載偏心。后來Peng[10-14]等人對腳手架的承載力做了相當深入的研究,Weesner[15]等人對鋼框架腳手架系統進行了的試驗測試,將腳手架中的扣件結構考慮為剛性節點,利用得出的數據校準了相關軟件開發的腳手架系統的數值模型。
  
  雖然國內外對腳手架與所用扣件進行了大量的研究,然而,腳手架倒塌事故仍時有發生,給國家造成了相當大的損失。因此,應該仔細的排查引起腳手架安全事故的原因,尋求解決的方法,保證工程施工和工人的安全[16-21]。當然,造成這些事故的原因不僅僅有腳手架本身的質量的問題,其整個支撐系統中起連接作用的扣件,它的質量問題也是我們不容忽視的,例如,對8家山西企業生產的20組扣件進行的合格檢驗,主要重點放在檢測腳手架扣件的外觀要求(包含生產缺陷的外觀和質量要求)和扣件的扣件力學性能(抗拉性能、抗滑性能、扭轉剛度、抗破壞性能)方面。檢驗結束后,合格的產品為19個批次,不合格的產品為1個批次,因此,不合格產品的檢測概率為5%,其中,不合格產品的問題主要在扣件力學性能不達標[22]。
  
  造成事故頻頻發生,不僅在于腳手架扣件的力學性能達不到合格要求,在國內,大多腳手架扣件的設計也存在不合理性,如圖1-1(a)所示,國內扣件本身材質為鑄鐵,強度較差,整體結構為實體結構,使其重量偏重,加大了對腳手架支撐系統的負載,易造成事故。而國外腳手架扣件相對進步一些,如圖1-1(b)所示,國外扣件大都采用鋼制扣件,雖然加強了扣件本身強度,但其設計仍然采用傳統設計,不僅成本高,而且本身重量并沒有減輕,存在一定缺陷。
  
  
  
  所以本項目以腳手架扣件為研究對象,以減輕重量和提高扣件整體性能為目的,開發一種新型輕型全鋼扣件,同時,設計該扣件節能環保的生產工藝及成形模具,提高扣件的生產率。
  
  1.3.2、腳手架扣件發展趨勢。
  

  扣件作為腳手架支撐體系中的連接裝置,豎管和橫管的穩定支撐主要依靠扣件與鋼管之間的摩擦,其性能好壞直接影響施工安全,故提升扣件性能至關重要。
  
  不僅如此,扣件的生產制造也應追求綠色制造,降低工業設備對人的依賴性,加強設備的生產柔性,使加工制造朝著數字化、精密化、輕量化、智能化以及多學科復合化等方向發展[23]。目前,中小型企業在努力追求盡量減少生產成本,優化扣件整體結構,提高扣件的穩定性能,并且力求生產過程綠色環保,為解決這些扣件生產所面臨的問題,其最行之有效的方法為實現機械自動化生產。這樣,才能使利潤達到最大化,提高公司的競爭優勢,更容易使公司接受[24]。
  
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  1.4 、論文研究的主要內容
  1.5 、本章小結
  
  第2章、新型全鋼扣件抗滑試驗研究.
  

  2.1、引言
  2.2、試驗目的
  2.3、試驗材料與方案.
  2.3.1、試驗材料.
  2.3.2、抗滑性能試驗方案.
  2.4、新型全鋼扣件試驗結果分析
  2.5、傳統鑄鐵扣件試驗結果
  2.6、新型全鋼扣件與傳統鑄鐵扣件試驗結果對比分析
  2.7、本章小結
  
  第3章、新型全鋼扣件有限元分析
  

  3.1、引言
  3.2、有限元計算理論
  3.2.1、有限元法方法原理.
  3.2.2、單元位移模式
  3.2.3、有限元軟件
  3.3、新型全鋼扣件有限元分析預處理
  3.3.1、有限元模型的建立
  3.3.2、接觸分析.
  3.3.3、計算參數.
  3.3.4、載荷施加
  3.4、有限元結果分析
  3.5、試驗與有限元結果對比分析
  3.6、本章小結
  
  第4章、沖壓工藝分析
  

  4.1、引言
  4.2、沖壓加工基本理論
  4.2.1、沖壓加工基本工序
  4.2.2、沖壓模具設計過程與要點
  4.2.3、金屬塑性力學理論.
  4.3、回彈基礎理論.
  4.3.1、影響彎曲回彈的因素
  4.3.2、應力-應變狀態分析.
  4.3.3、回彈理論計算
  4.4、工藝分析,
  4.4.1、上蓋工藝分析
  4.4.2、下蓋工藝分析.
  4.5、彎曲回彈角計算結果分析
  4.5.1. 上蓋彎曲第一 工序計算
  4.5.2 .  上蓋彎曲第二工序計算
  4.5.3. 上蓋彎曲第三工序計算
  4.6、本章總結
  
  第5章、上蓋模具設計
  

  5.1、 引言
  5.2、設計計算過程.
  5.2.1、基于Pro/E的坯料長度計算
  5.2.2、切斷力計算
  5.2.3、彎曲力計算.
  5.2.4、卸料力
  5.2.5、凸凹模及各個零部件間隙.
  5.3、預彎模具設計
  5.4、U形彎曲模具設計
  5.4.1、U形彎曲模主要結構設計
  5.5、壓彎模具設計
  5.5.1、壓彎模主要結構設計
  5.6、彎曲模主要結構強度分析
  5.6.1、有限元模型的建立
  5.6.2、實體建模和網格劃分.
  5.6.3、約束與載荷施加.
  5.6.4、凸模有限元結果分析
  5.6.5、凹模有限元結果分析
  5.7、本章小結
  
  第6章、下蓋模具設計.
  

  6.1、引言
  6.2、展開長度計算.
  6.3、模具設計及工作過程.
  6.3.1、 U形彎曲模具
  6.3.2、預卷彎曲模具
  6.3.3、卷圓彎曲模具
  6.3.4、壓彎模具
  6.3.5、模具強度分析.
  6.4、本章總結

  總  結

  本文結合邯鄲市科技技術研究與發展項目,針對新型輕型全鋼扣件的生產中存在的問題進行研究,進行設計和研究符合國家標準的新型輕型全鋼扣件生產模具,得到如下主要成果:

 。1)針對新型輕型全鋼扣件的抗滑性能進行了試驗研究,并與傳統鑄鐵扣件抗滑性能進行比較,研究結果表明,新型輕型全鋼扣件抗滑性能達到國家標準。

 。2)建立了新型輕型全鋼扣件以及傳統鑄鐵扣件的有限元模型,采用非線性接觸理論對新型輕型全鋼扣件的抗滑性能進行有限元分析,研究結果得到,同時,新型輕型全鋼扣件抗滑性能優于傳統鑄鐵扣件,并且提出了抗滑修正系數概念,為扣件抗滑性能研究提供了新思路。

 。3)對扣件回彈現象進行研究,提出了影響扣件回彈的幾點原因,采用ANSYS有限元軟件對扣件的各個生產工序進行了仿真分析,得到了扣件的回彈補償量,為模具生產提供了依據。

 。4)根據新型輕型全鋼扣件本身結構特點進行工藝分析,確定了扣件的成形方案,采用沖壓工藝設計了扣件中典型零件的生產模具,解決了彎曲模具設計問題,提高了生產效率。

 。5)采用有限元理論對模具中主要結構凸凹模進行了強度仿真模擬,研究結果得到凸凹模的最大等效應力以及最大變形量,同時,指出了凸凹模在生產中疲勞損壞部位,為模具優化提供了依據。

  參考文獻.

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