1前言
最早興起于歐美國(guó)家的
鋁合金防護(hù)欄，曾經(jīng)被廣泛的 應(yīng)用，同時(shí)也針對(duì)于鋁合金產(chǎn)品制定了相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)， 相對(duì)于我國(guó)國(guó)情，鋁合金護(hù)欄的使用才剛剛起步，人們此 時(shí)還沒(méi)有完全意識(shí)到鋁合金護(hù)欄產(chǎn)品在實(shí)際生活使用中完 美且獨(dú)到的方面，在如今的生活中，隨處都能看到護(hù)欄表 面銹跡斑斑、嚴(yán)重腐蝕、脆化等現(xiàn)象，這些問(wèn)題嚴(yán)重的污 染了現(xiàn)在文明城市的發(fā)展與建設(shè)，同時(shí)存在的安全隱患也 時(shí)刻威脅著人們生命財(cái)產(chǎn)的安全。因此鋁合金護(hù)欄節(jié)能環(huán) 保，易著色，輕量化等優(yōu)點(diǎn)顯得更為突出，鋁合金護(hù)欄代 替?zhèn)鹘y(tǒng)防護(hù)欄的趨勢(shì)勢(shì)在必行，具有前景廣闊的發(fā)展空間。
2現(xiàn)有護(hù)欄產(chǎn)品分類(lèi)及對(duì)比
常見(jiàn)的護(hù)欄按材質(zhì)分類(lèi)，主要有木質(zhì)護(hù)欄、不銹鋼護(hù) 欄、鐵藝護(hù)欄、鋁合金護(hù)欄等。其中木質(zhì)護(hù)欄有工藝簡(jiǎn)單 污染小的特點(diǎn)，但其材質(zhì)易腐爛、使用壽命短、對(duì)森林資 源破壞極為嚴(yán)重等缺點(diǎn)尤為明顯；不銹鋼護(hù)欄雖然有耐腐 蝕的特點(diǎn)，但是真正意義上的304不銹鋼護(hù)欄造價(jià)高昂不 易廣泛的推廣使用；合金含量低的不銹鋼護(hù)欄產(chǎn)品，抗腐 蝕性極差，同時(shí)不銹鋼護(hù)欄不易著色、形狀單一，很難做 到和諧搭配；鐵藝護(hù)欄制造成本低，但是使用壽命短，抗 腐蝕性差；而鋁合金型材做的護(hù)欄具有性能穩(wěn)定、耐腐蝕 性好、強(qiáng)度高、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)E,加之更成熟的加工 工藝及表面處理技術(shù)，生產(chǎn)出的護(hù)欄產(chǎn)品更為符合當(dāng)今時(shí) 代的對(duì)隔離防護(hù)產(chǎn)品的需求。
3鋁合金護(hù)欄的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
鋁合金護(hù)欄是由橫梁、立柱、底座、尖角、立桿、立 柱、圖樣型件等組成。本產(chǎn)品從設(shè)計(jì)理念上完全符合當(dāng)今 時(shí)代對(duì)防護(hù)欄產(chǎn)品外形美觀度的追求。
3.1鋁合金護(hù)欄的3D模型
基于SolidWorks圖形繪制軟件，設(shè)計(jì)鋁合金護(hù)欄3D 模型如圖1所示。
圖1框架3D模型及其效果
3.2鋁合金護(hù)欄的工程圖
本產(chǎn)品設(shè)計(jì)上為了追求其嚴(yán)密性與視覺(jué)感官，整體的 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，工程圖紙的輸出量很大，為了設(shè)計(jì)的 保密性本文只展現(xiàn)整體正視圖及其基本尺寸，如圖2所示。
3.3鋁合金護(hù)欄的連接方式介紹
鋁合金護(hù)欄采用螺接、插接、焊接相結(jié)合的連接方式， 兩側(cè)立柱與中間橫梁通過(guò)U型連接件進(jìn)行連接。其U型 連接槽封閉的一端，通過(guò)點(diǎn)焊的方式，固定在立柱相應(yīng)的 尺寸位置。另一端的插片通過(guò)螺接的方式與橫梁固定在一 起。細(xì)桿部分，通過(guò)插接的方式，插入四根橫梁對(duì)應(yīng)插接 孔中。頂端尖角插入細(xì)桿方管頂端，并通過(guò)點(diǎn)焊的方式使 其徹底固定。中間花樣與錢(qián)幣圖案件，通過(guò)點(diǎn)焊的方式固 定在細(xì)桿兩側(cè)。最后兩側(cè)立柱底端通過(guò)焊接的方式固定在 底座上。
3.4鋁合金護(hù)欄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的參考依據(jù)
本護(hù)欄產(chǎn)品在滿(mǎn)足其強(qiáng)度要求、結(jié)構(gòu)要求的情況下， 按照GBZT6892-2006《一般工業(yè)用鋁及鋁合金擠壓型材》 規(guī)定，本鋁合金護(hù)欄產(chǎn)品釆用6061-T5I業(yè)用鋁。
在焊接工藝方面，按照GB/T10858-2008《鋁及鋁 合金焊絲》相關(guān)規(guī)定，采用MIG電弧焊，焊接鋁合金 護(hù)欄結(jié)構(gòu)件，其中焊絲的材質(zhì)選用5083,立柱與連接 件，立桿與鋁合金型件間均選取直徑為1.2mm的焊絲， 焊接方式為點(diǎn)焊。立柱與底座焊接處，選取焊絲直徑為 2.0mm,焊接方式為滿(mǎn)焊。
本產(chǎn)品在連接件與橫梁上為了避免不必要的鋁合 金焊接應(yīng)力，釆用螺接的方式進(jìn)行連接，分別按照GB/ T5782-2000、GB/T6170《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》采用M12的 六角螺栓與螺母進(jìn)行連接。
4強(qiáng)度驗(yàn)證
4.1有限元建立
在有限元模型建立中，對(duì)護(hù)欄幾何模型進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn) 化，去除掉一些非承載部件（例如圖樣等），去除部分為 美觀優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)整體受力強(qiáng)度影響較小，且不考慮焊接結(jié) 構(gòu)的失效問(wèn)題。型件間的連接件采用實(shí)體單元?jiǎng)澐挚凇?/div>
鋁合金護(hù)欄型材選用6061-T5鋁合金，該合金具有 加工性能極佳、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)氣 選用6061-T5鋁合金， 可提高結(jié)構(gòu)整體剛度。具體的材料性能參數(shù)見(jiàn)表1。
表1護(hù)欄結(jié)構(gòu)材料屬性
部位 名稱(chēng) 彈性系數(shù)/GPa 彎曲極限強(qiáng)度/MPa 密度/g . cm3 受屈服強(qiáng)度/MPa
型材 6061 68.9 228 2.80 55.2
對(duì)護(hù)欄整體進(jìn)行力學(xué)簡(jiǎn)化，將底板所受力簡(jiǎn)化為均布 載荷，在實(shí)際應(yīng)用中要求最大為7級(jí)風(fēng)載的作用下，以均 布載荷的形式施加在受力桿上。模擬分析鋁合金護(hù)欄在7 級(jí)風(fēng)載下的應(yīng)力和變形。
4.2模擬結(jié)果分析
針對(duì)護(hù)欄特殊情況下的強(qiáng)度要求，并采用Solidworks simulation有限元模擬軟件進(jìn)行強(qiáng)度分析，具體數(shù)據(jù)如表 3 （ a、b ）所示，應(yīng)力云圖與位移云圖。
圖3a為鋁合金護(hù)欄在7級(jí)風(fēng)載作用下的應(yīng)力云圖。 由圖可見(jiàn)，應(yīng)力集中出現(xiàn)在兩側(cè)立柱底端，最大應(yīng)力為 6.467MPa,遠(yuǎn)小于6061鋁合金的屈服強(qiáng)度，其他位置 應(yīng)力分布均勻，無(wú)應(yīng)力集中現(xiàn)象，整體強(qiáng)度滿(mǎn)足使用需求。
圖3b為鋁合金護(hù)欄在7級(jí)風(fēng)載作用下的位移云圖。 由圖可見(jiàn)，集裝板最大位移發(fā)生護(hù)欄頂端位置，最大位移 為9.468mm,滿(mǎn)足產(chǎn)品性能要求。
圖3風(fēng)載情況下（a）應(yīng)力云圖；（b）位移云圖
5結(jié)語(yǔ)
鋁合金護(hù)欄在技術(shù)上不斷改進(jìn)和優(yōu)化，突出了其性能 特點(diǎn)，一定會(huì)被越來(lái)越多的適宜環(huán)境所需求。本次設(shè)計(jì)的 鋁合金護(hù)欄具備一定的優(yōu)勢(shì)，具體有以下3個(gè)方面：
1 ）外觀方面
本次設(shè)計(jì)的鋁合金護(hù)欄產(chǎn)品，外觀簡(jiǎn)潔大方，符合 二十一世紀(jì)新型防護(hù)隔離產(chǎn)品的實(shí)際需要。同時(shí)先進(jìn)的表 面處理技術(shù)，使產(chǎn)品表面更加光滑。
2） 功能方面
本產(chǎn)品一般在工廠及小區(qū)周邊使用，起到隔離區(qū)域與 保護(hù)人們生命財(cái)產(chǎn)安全的作用，在原有單一樣式的基礎(chǔ)上 更加追求護(hù)欄的樣式設(shè)計(jì)，將藝術(shù)性的美感融入其中，符 合當(dāng)今時(shí)代的主旋律。
3） 材質(zhì)方面
護(hù)欄選用鋁合金型材擁有其他材料無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)， 具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)、著色效果明顯且不易 褪色等優(yōu)點(diǎn)，并且可以較為容易通過(guò)擠壓、切割等方式獲 得所需型件，制作工期極為短暫，批量生產(chǎn)能力強(qiáng)。
參考文獻(xiàn)
[1]張其林,姚念亮等.鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范北京：中 國(guó)計(jì)劃出版社，2008 .
[2]孫訓(xùn)方等.材料力學(xué)[M].北京：高度教育出版社， 2009.
[3]束德林等.工程材料力學(xué)性能|M],北京：機(jī)械工業(yè) 出版社,2006.
轉(zhuǎn)自：Loading image《中國(guó)建材科技》2018年第2期 曹善鵬李超鄭雅如聶樞昕孫?。ㄟ|寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧遼陽(yáng)111003）
