铝合金型材壁厚与材料变形性能的研究

　　由此可见，提高杆件强度的主要措施就从降低最大弯矩M，增大截面抵抗矩W值及充分利用材料性能[σ]，其中最大弯矩M的变化主要与载荷作用的位置、方式及支座的位置分布有关，其取决于门窗立面的设计，与型材截面及材料无关，在此不作讨论。对型材而言，可通过选择合理截面，以增大截面抵抗矩W值，杆件的合理截面是指杆件在满足强度条件的前提下，用较少的材料获得最大的W值，对于面积A相等而形状不同的截面，可以用比值W/A作为衡量截面经济合理的批标，W/A越大,截面就越经济合理，由于一般截面中，W与其高度的平方成正比，所以，应尽可能地使横截面面积分布在距中性轴较远的地方，所以在实际设计中，通过使用加强中梃提高截面的有效惯性矩I和截面抵抗矩W比单纯通过中梃增加壁厚经济合理，从上面的公式还可看出，强度校核中弯曲应力还与材料的性能特性有关，在最大弯矩M和截面抵抗矩W已确定时，可以采用不同的材料或状态以提高材料的抗弯曲许用应力[σ]，对于铝合金来说，可通过选择不同的合金牌号，如6063、6063A、6005、6061等，或不同的热处理状态，如T5、T6等来提高材料的抗弯曲许用应力[σ]。因此和杆件刚度校核一样，型材壁厚可通过其变化导致截面抵抗矩W值的变化，从而影响杆件弯曲应力校核的强度条件，增加壁厚不是提高截面抵抗矩W值的最佳途径，因此型材壁厚不是杆件弯曲应力校核强度条件的决定因素。

　　剪切应力校验依据：τmax=(Q*S)/(I*δ)<=[τ]

　　[τ]:材料的抗剪允许应力(N/mm²)

　　τmax:计算截面上的最大剪切应力(N/mm²)

　　Q:受力杆件计算截面上所承受的最大剪切力(N)

　　S:材料面积矩(mm²)

　　I:材料惯性矩(mm^4)

　　δ:腹板的厚度(mm)

　　从上式可见，剪切应力除和型材截面参数，如惯性矩I、面积矩S及材料特性[τ]有关外，还和型材腹板的壁厚δ成反比，也就是说增加型材腹板壁厚δ可以减小计算截面上的最大剪切应力τmax，因此型材壁厚不是杆件剪切应力校核强度条件的决定因素之一，但一般材料的抗剪允许应力[τ]远小于抗弯曲允许应力[σ]，如铝合金材质6063-T5的[σ]=85.5MPa，[τ]=49.6MPa，[τ]=0.58[σ]，所以一般弯曲应力校验能通过的，剪切应力也能通过，故可省略。

　　故对于型材杆件的刚度和强度校核而言，其主要与型材的截面参数如惯性矩I、抵抗矩W等有关，其由截面形状决定，增加型材壁厚是提高截面参数的一种方法，但不是最佳方法，最好的途径是应尽可能地使横截面面积分布在距中性轴较远的地方，即在保证刚度和强度的前提下，尽可能减小I/A或W/A，这样型材截面在承载能力和刚度和强度上能保证合理性和经济性，达到最大的性价比;另外强度校核还右充分利用材料的性能特性，在型材截面确定的前提下，通过选择不同的合金牌号或热处理状态，提高材料的抗弯曲允许应力[σ]，从而满足杆件的强度条件。故只有在型材的截面和合金状态确定后，壁厚的增减才是关键因素，从而影响杆件的强度和刚度。

　　以下为使用ansys有限元仿真模拟对型材刚度及强度的计算：

　　[σ]:材料的抗弯曲允许应力(N/mm²)

　　杆件计算长度：2000mm

　　型材一：

　　变形最大fmax =4.856mm

　　弯曲应力最大σmax =73.15Mpa

　　型材二：

　　变形最大：fmax =3.698mm

　　弯曲应力最大：σmax =54.79Mpa

　　型材三：

　　变形最大：fmax =2.745mm

　　弯曲应力最大：σmax =52.66MPa

　　分析以上计算结果，增大型材壁厚可以增加型材截面参数I和W，从而提高杆件的刚度和强度，从而提高型材的抗变形能力(如型材二)，但在不改变型材一壁厚的前提下，改变截面且把截面积尽可能加在远离中性轴的地方(型材三)，型材三的截面积与型材二基本一致，但其惯性矩I和 截面抵抗矩W远大于型材二，而计算结果显示，型材三抗变形能力远高于型材二，故在型材截面积相同即重量线密度相同的情况下，型材三截面更为科学，也说明增加型材壁厚不是提高杆件刚度和强度的最有效手段。

　　但构件承载能力的三个内容中，还有一个稳定性的问题，对于横向受力杆件，受弯薄壁梁的截面存在局部失稳的问题，为防止产生压应力区的局部屈曲，需采取一些方法加以控制，弹性薄板在均匀受压下的稳定临界应力可由下式计算：

　　式中：E—— 弹性模量;

　　t —— 截面厚度

　　v—— 泊松比

　　—— 截面宽度

　　—— 弹性屈曲系数，自由挑出部位(边界条件视为三边简支、一边自由)取0.425，双侧加劲部位(边界条件视为四边简支)取4.0。

　　由上式可得到型材截面的宽厚比要求，即：

　　式中： f—— 型材强度设计值，对于6063-T5铝合金材质：

　　对于6063-T6铝合金材质：

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