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點(diǎn)支式玻璃建筑能夠?qū)⒉ＡШ徒ㄖ闹黧w結(jié)構(gòu)通過金屬連接件組合，共同承受外荷載作用。其建筑外觀豐富，通透美觀，發(fā)展勢頭迅速。
鋁合金作為一種新型的建筑材料，在點(diǎn)支式玻璃建筑等輕型結(jié)構(gòu)中應(yīng)用具有其獨(dú)特的優(yōu)勢。由于點(diǎn)支式玻璃建筑中常用的不銹鋼支承件存在自重較大、經(jīng)濟(jì)性不足的缺點(diǎn)，可以考慮采用鑄鋁支承件替代。已進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究，但仍然需要進(jìn)一步的深入分析。本研究對鑄鋁支承件進(jìn)行了彈塑性有限元分析，以期為相關(guān)的設(shè)計(jì)提供參考。
鑄鋁支承件采用了兩種不同牌號的鑄鋁：ZL105 T1和ZL111 T6。分別從試件上切取3個(gè)材料試件進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)。
由于鋁合金為典型的非線性材料，有限元分析中采用簡化的本構(gòu)關(guān)系—雙線性強(qiáng)化模型。本研究采用了幾種典型的支承件形式，按照形狀可以分為X形、I形、H形。
由于支承件形狀比較復(fù)雜和不規(guī)則，所以，先利用CAD進(jìn)行三維實(shí)體建模，然后，導(dǎo)入ANSYS得到有限元模型。單元類型選用適合非線性分析的實(shí)體單元SOLID92，這種單元非常適用于不規(guī)則模型的單元網(wǎng)格劃分，且可以考慮大變形，具有處理塑性、蠕變、應(yīng)力強(qiáng)化等問題的能力。
由于支承件的對稱性，僅取一肢進(jìn)行建模。在不影響計(jì)算精度的前提下，單元尺寸取為6mm，在肢端和肢根部應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行單元的一級細(xì)分。在考慮鋁合金的強(qiáng)度破壞時(shí)，假設(shè)鑄鋁為各向同性材料，采用V011 VI1SP、屈服準(zhǔn)則，流動(dòng)準(zhǔn)則為關(guān)聯(lián)流動(dòng)準(zhǔn)則，分析考慮材料非線性和幾何非線性，設(shè)定鑄鋁的本構(gòu)關(guān)系為雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型。
在各肢的對稱剖面上施加對稱面約束。各支承件的中部都要通過螺桿連接到支承結(jié)構(gòu)上，因此，在支承件中部與螺桿的接觸面上施加固接約束。在各肢孔邊分級施加荷載。
進(jìn)行雙非線性(材料非線性和幾何非線性)有限元分析，模擬支承件加載的整個(gè)過程，得到支承件Von Mises應(yīng)力發(fā)展情況。由于ZL105 T1和ZL111 T6的Von Mises應(yīng)力發(fā)展趨勢在很大程度上一致。
從應(yīng)力狀態(tài)可以看出，在肢端荷載作用下，X形支承件最大Von Mises應(yīng)力出現(xiàn)在離肢端0.27倍的肢長處，而H形支承件中間肢(I形支承件)和邊肢的最大Von Mises應(yīng)力均出現(xiàn)在支承件肢根部。
支承件加載時(shí)其最不利測點(diǎn)處的有限元分析結(jié)果和相應(yīng)的試驗(yàn)值比較曲線，即荷載-軸向應(yīng)變曲線。從圖中可以看出，鑄鋁支承件的有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本相符，驗(yàn)證了有限元數(shù)值模擬的適用性和有限元模型的可靠性。
在彈性階段，有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。然而，當(dāng)支承件屈服進(jìn)入塑性階段后，試驗(yàn)曲線與有限元分析曲線偏差較大。分析原因，可能有以下幾點(diǎn)：
(1)各測點(diǎn)處材料屈服后的塑性應(yīng)變值較大，此時(shí)應(yīng)變片測量準(zhǔn)確性不足；
(2)因?yàn)楦髟嚰䴙樯靶丸T造，難以保證各個(gè)試件的加工精度和質(zhì)量完全一致；
(3)材料的本構(gòu)關(guān)系采用簡化的雙線性強(qiáng)化模型，可能會使分析結(jié)果產(chǎn)生一定的偏差。
鑄鋁支承件的屈服荷載的有限元分析和試驗(yàn)結(jié)果比較。其中，屈服荷載試驗(yàn)值和有限元分析值非常相近，二者吻合良好，再次驗(yàn)證了有限元模型的可靠性。
根據(jù)非線性有限元分析及ANSYS的時(shí)間歷程后處理，可以得到各支承件肢端荷載與加載點(diǎn)處位移的變化曲線關(guān)系。
鑄鋁支承件的荷載-位移曲線的變化趨勢非常明顯，在材料屈服之前，荷載與位移基本上呈線性變化，當(dāng)材料達(dá)到屈服強(qiáng)度之后，曲線隨即出現(xiàn)非線性延伸，但并非理想的彈塑性曲線，這與鑄造鋁合金的材料非線性是相對應(yīng)的。
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