楊景宇 任何東 李超林 趙昭 丁義超 劉海瓊 張小山

摘要：以三角極簡穩(wěn)定支撐為基礎，由高壓電塔與埃菲爾鐵塔啟發(fā)設計靈感設計了桁架結構。在保證焊點分布及數量合理的條件下，獲得了最優(yōu)結構，并利用UG對其承載性能進行仿真模擬。結果表明當桁架型材尺寸為（6+8）時，單位承載力為267 N/g，其破壞位置位于底部節(jié)點。同時，實驗測得其最大承載力約為45 kN，承載力與質量之比為250 N/g，具有良好的性價比。

關鍵詞：輕量化；桁架結構；UG仿真；焊接工藝

中圖分類號：TP237文獻標志碼：A

文章編號：2095-5383（2019）01-0007-05

Structural Optimization of Lightweight Welded Truss based on UG

YANG Jingyu， REN Hedong， LI Chaolin， ZHAO Zhao， DING Yichao， LIU Haiqiong， ZHANG Xiaoshan

（School of Materials Engineering， Chengdu Technological University， Chengdu 611730， China）

Abstract： The truss structure was designed based on triangularminimally stable bracing and inspired by the design of high voltage tower and Eiffel tower. Under the condition that the distribution and quantity of solder joint are reasonable， an optimized structure was obtained. UG was used to simulate its bearing performance. The results show that when the size of truss rods are （6+8）， its unit bearing capacity is 267 N/g， and the failure position is located at the bottom joint. Meanwhile， the experimental results show that the maximum bearing capacity is about 45 kN. The ratio of bearing capacity to mass is 250 N/g， which indicates a good performanceprice ratio.

Keywords： Lightweight； Truss Structure； UG Simulation； Welding Process

桁架即桁架梁，是格構化的一種梁式結構。桁架是由軸心受力構件（拉桿和壓桿）組成的格構式構件，按照截面形式桁架分為平面桁架和空間桁架，平面桁架和空間桁架通過縱橫方向的可靠連接（如系桿、支撐或此桁架等）組成桁架系統(tǒng)（桁架結構）用以承受豎向荷載和跨越較大的空間[1-6]。桁架結構具有良好的支撐性能的同時，還應追求輕量化、低成本。因此，在設計桁架時，需考慮桁架選材、桁架結構及加工工藝。

出于輕量化的考慮，通常使用輕質合金，綜合考慮其成本、工藝性和使用性能，可使用鈦合金或鋁合金。其中鈦合金的密度較高（451 g/cm3左右），為鋼密度的60%；純鈦的強度接近普通鋼強度，而高強度鈦合金大大超過合金結構鋼的強度。然而，鈦合金造價較高且焊接工藝復雜，性價比不高。鋁合金密度較低（275 g/cm3左右），且具有強度高（接近或超過優(yōu)質鋼）、塑性好、導電性好、導熱性高和抗蝕性等特點。同時鋁合金能夠自防腐，能用于對結構載荷和環(huán)境有特殊防腐要求之處[7]，廣泛應用于工業(yè)生產。鋁合金和鈦合金的性能如表1所示。

由于鋁合金滿足輕質、高強度、低成本和易于焊接的要求，選擇鋁合金作為母材更為合適。鋁合金種類較多，主要特點如表2所示。

2系和7系鋁合金強度較高，但焊接性較差，即綜合考慮選擇6系鋁合金。工業(yè)生產中常見的6系鋁合金為6061和6063，兩者焊接性相近，6061強度高于6063。經過分析，最終選擇6061鋁合金作為焊接母材。6061鋁合金性能如表3所示。本文在考慮桁架選

材和加工工藝的前提下，基于UG軟件的三維建模與仿真模擬功能，對小型承重桁架做出結構優(yōu)化設計。

1實驗

11實驗設備

實驗主要運用設備包括：DEW20萬能實驗機、遞變式交直流脈沖氬弧焊機、DK7740線切割機。2019年第1期

楊景宇，等

：基于UG的輕量化焊接桁架結構優(yōu)化研究

成都工業(yè)學院學報http：//paper. cdtu. edu. cn/第22卷

12桁架型材

常用型材包括方管、圓管和棒材。對于方管和圓管，焊接成形存在大量干擾因素，增加了焊接工藝的難度，且方管與圓管在市面上不易獲取，因此本文研究的型材選用6061鋁合金棒材。

13焊接方法

鋁及鋁合金具有焊接時極易氧化、熔點高、熱導率高、線膨脹系數高的特點，因此必須選用合適的焊接方法才能獲得性能良好的構件。常見的焊接方法如表4所示。

由表4可見，氣焊與手工電弧焊的焊接質量較差，等離子弧焊、真空電子束焊和激光焊焊接質量雖好，但焊接環(huán)境與設備要求高，增加了焊接成本。根據桁架構件質輕且精細的特點，需綜合考慮焊接質量、難度和成本，在保證產品質量的同時降低成本，選擇鎢極氬弧焊（TIG焊）。在焊接過程中，用純氬氣或含氦10%或更多的氬氦混合氣體作保護氣時，使用交流電源，表面氧化物可由電弧去除。焊接時，采用鈰鎢極，伸出長度5～6 mm，噴嘴距工件8～12 mm，環(huán)境溫度25 ℃，焊件焊前預熱100 ℃，道間溫度≤150 ℃。層間清理用不銹鋼絲刷打磨[8]。這種焊法在氬氣的良好保護下施焊，氬氣的機械隔離作用可保護熔池免受氧化，熱量比較集中且電弧燃燒穩(wěn)定，獲得的焊縫金屬致密，接頭的強度和塑性高，在工業(yè)中獲得越來越廣的應用。焊接參數如表5所示。

14焊接材料

在進行鎢極氬弧焊時，需添加填充焊絲，而填充焊絲的成分將影響接頭力學性能及腐蝕性能。在選擇填充焊絲時，必須首先考慮母材的牌號、成分、產品的具體要求及施工條件，除了應滿足接頭的力學性能、耐腐蝕性能外，還應考慮結構的剛性及抗裂性等問題。根據6061鋁合金材料特性選擇4043 AlSi5焊絲作為填充金屬即焊絲。保護氣體為氬氣（99999%）能夠更好地防止氧化及氫氣孔的產生。

2結果與討論

21建模與結構分析

結構優(yōu)化設計作為機械設計的一種重要現代設計方法[9]，在理論和應用方面均取得了顯著進展，并獲得了良好的經濟效益[10]。本文首先使用UG軟件進行三維建模，如圖1所示，再進行結構優(yōu)化與分析。

以金剛石正四面體和三角極簡結構為基礎，通過改變內梁的受力而達到最終的穩(wěn)定、簡易模型。桁架結構突出特點是節(jié)點為鉸接點，不傳遞彎矩，因此節(jié)點次應力較大。若設計不合理，會造成桁架結構在關鍵節(jié)點處的次應力增加，使性能大幅下降。同時，若為使各個節(jié)點分力較小而添加節(jié)點，會導致成形工藝更復雜、質量增加等問題。

圖1a以金剛石立方晶體結構為基礎，但上部穩(wěn)定性較差。圖1b改進了桁架中部節(jié)點設計，使其能更好地分散頂部所承受的壓力并提高結構的穩(wěn)定性，但通過前期仿真分析發(fā)現，底部會發(fā)生較大形變。圖1c增強桁架底部穩(wěn)定性，同時減少傾斜角，使之在承載過程中形變量減少，但結構上部分構成簡易，易發(fā)生彎曲變形。圖1d綜合考慮結構上下部分，在完善底部設計時，同時在結構內部進行設計，以防止結構承載時的外擴變形。但由于該結構過于復雜，焊接點較多，焊接難度較大。圖1e采用變直為曲的方法，把中部節(jié)點處使用圓環(huán)形構造，同時底部增加約束進行固定，上部分使用三直桿緊湊垂直承載，但上部結構變形較大。綜上優(yōu)化分析，得到如圖1f的最終結構，同樣以三直桿作為上部分承載，其中上部添加三個約束，使之變形量減少，底部采用三角形結構支撐，并加以約束，得到良好的分散力效果，實現在簡化結構的同時，增加承載力。

眾所周知，桁架結構最優(yōu)形狀受到單元截面尺寸的影響；反之，桁架結構的形狀又決定著單元截面尺寸的最優(yōu)設計[11]。確認原始結構后，考慮到桁架中桿件所起作用的差異，可將桿件分為兩類：12根水平桿件為A類，主要起連接作用；其余桿件為B類，主要起承力作用，如圖2所示。為了進一步減輕整個結構的重量，分別改變A和B類桿件的直徑，參數如表6所示。

22桁架結構模擬

基于表6數據，采用UG對3組框架分別進行受力模擬分析，約束桁架底部的3個平面，同時對x軸和y軸旋轉自由度，z軸移動自由度進行約束，對頂面向下施加壓力。結果如圖3和表7所示。

從表7中可以看到連接桿直徑為6 mm，承力桿直徑為8 mm時，桁架結構質量為180 g，高度160 mm，模擬承載力48 kN，模擬最大應力為41644 MPa，模擬出單位質量承載力是267 N/g，單位質量承載力是3個樣品中最大，即桁架Ⅱ的棒材直徑選擇最優(yōu)。

23框架結構性能測試

將焊接完成的第Ⅱ號桁架置于萬能試驗機，進行擠壓試驗，得到桁架的最大承載力F，測試結果如圖4a所示。從圖4a中可以看到，桁架的最大承壓力為約45 kN。實驗中測得桁架結構的質量為180 g，因此Ⅱ號框架結構的單位承壓力為250 N/g，與UG模擬數據基本一致，誤差為68%。

圖4b所示為桁架結構的破壞特征結果，觀察其破壞情況，與模擬顯示的最大應力位置進行比較，其兩者情況有大致吻合，經過分析，產生如圖實際破壞的原因有兩點：一為鋁合金焊接后熱影響區(qū)軟化，強度降低；二為存在焊接缺陷，如未焊透等因素。

綜上分析，桁架Ⅱ（6+8）最大承載力約為45 kN，單位承載力為250 N/g，為結構最優(yōu)方案，滿足桁架輕量化和性能要求。

3結論

為探索輕量型焊接桁架結構，以金剛石正四面體和三角極簡結構為基礎，基于UG軟件，采用仿真模擬與實驗相結合的方法，對桁架的結構及選材進行了研究。仿真結果表明，桁架Ⅱ（6+8）的單位承載力為267 N/g，為最優(yōu)結構，其破壞位置位于底部節(jié)點。同時，實驗測得桁架Ⅱ單位承載力為250 N/g；桁架破壞位置與仿真結果相符。得出使用6061鋁合金焊接出上述桁架Ⅱ結構，可最大程度上實現輕量型桁架的同時，使其單位面積承載力最大，實現結構的優(yōu)化。參考文獻：

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