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新型轻型全钢脚手架扣件的开发设计

时间:2020-09-16 11:08作者:李鹏博
本文导读:这是一篇关于新型轻型全钢脚手架扣件的开发设计的文章,本文开发了一种新型轻型全钢扣件,可有效减轻扣件重量,减少对脚手架系统的负载,同时,采用冲压工艺生产,不仅有效的保证了零件的精度,而且生产效率高,操作简便,可实现自动化生产。
  摘要
  
  随着脚手架行业的高速发展,脚手架扣件行业也在朝着生产效率高以及节能环保的方向的发展。目前,施工中采用的脚手架扣件多为铸铁扣件,生产效率低,污染大,并且本身的刚性以及韧性较差。基于以上背景,本文开发了一种新型轻型全钢扣件,可有效减轻扣件重量,减少对脚手架系统的负载,同时,采用冲压工艺生产,不仅有效的保证了零件的精度,而且生产效率高,操作简便,可实现自动化生产。较传统铸铁扣件的生产,不仅改进了生产工艺过程,而且也提高了扣件的刚性、韧性、抗滑移性能和抗破坏性。


新型轻型全钢脚手架扣件的开发设计
 
  
  本文的主要内容包括:
  
  (1)对新型全钢扣件的抗滑性能进行了试验与有限元分析研究。从试验中得到,新型全钢扣件在国家标准要求的载荷下,?1值远远小于国家标准要求7mm,抗滑性能达到国家规范要求,又与传统铸铁扣件试验进行了对比分析,从两者试验结果中可以看出,新型全钢扣件的抗滑性能优于传统铸铁扣件。同时,利用有限元软件分别建立了新型全钢扣件模型与传统铸铁扣件模型,通过有限元结果可知,新型轻型全钢扣件的抗滑性能达到了国家标准要求,并且优于传统铸铁扣件的抗滑性能。最后,通过试验与有限元结果进行对比分析,提出影响抗滑性能的两点原因和扣件的抗滑性能修正系数的概念,经计算,抗滑性能修正系数为μ1=0.3,μ2= 0.8,能够直接通过模拟计算的结果乘以调整系数μ得到试验中的实际滑行位移,可修正实际施工中因不利因素造成的影响。
  
  (2)分析新型全钢扣件的生产工艺,并对新型全钢扣件中典型零件在生产过程中产生回弹现象进行了研究。结合坯料应力-应变的状态关系,构建零件回弹的数学模型,得到零件成形过程中各个工序的回弹角度,同时,给出了控制回弹的解决方法,为扣件的凸凹模设计提供了理论依据。
  
  (3)对扣件的工艺流程和模具的设计进行研究。首先,对零件进行了工艺性分析,确定了扣件的成型方案,然后建立了生产模具的三维模型与二维模型,并采用ANSYS有限元分析软件对模具中的凸凹模进行有限元分析,最后,得到模具的最大等效应力与模具的最大变形量,并指出模具中凸凹模的最易受损部位,为新型轻型全钢扣件的冲压弯曲模具设计提供了依据。
  
  关键词:   新型轻型全钢扣件;抗滑性能;回弹;工艺分析;模具设计。
  
  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   绪论
  
  1.1、课题来源。

  
  本文探究的课题来自邯郸市科学技术研究与发展计划项目。脚手架扣件生产过程中产生的污染较多,同时,由于生产工艺落后,造成生产成本较高,因此,急需改进扣件的生产工艺,以达到减少对环境的污染、提升产品的生产效率和产品本身品质以及扣件自动化生产的目的,基于此背景展开本课题研究。
  
  1.2、课题立项依据及意义。
  
  60年代初,我国开始使用扣件式钢管脚手架,由于其具有装拆相对灵活、搬运也更为便捷和价格较低等特点,故在施工中的应用十分广泛,目前,扣件式钢管脚手架在我国脚手架应用中所占的比例达到了60%以上。但钢管脚手架使用中也会发生一些偶然的安全事故,这不仅有实际应用和管理方面的问题,也有脚手架支撑系统中扣件质量不过关的问题[1]。
  
  紧固件主要是通过冲压或铸造工艺生产的,其主要用来紧固脚手架、井架等支撑系统中连接的部位,简称为扣件,主要有三种类型,即直角扣件、旋转扣件和对接扣件。其中,在钢管式脚手架系统中的扣件主要用于连接和紧固钢管,在建设施工中的应用相当普遍,其质量的好坏直接关系到建筑施工的安全。因此,开展钢管脚手架扣件的研制工作就显得尤为重要。
  
  1.3、脚手架扣件国内外现状及发展。
  
  1.3.1、脚手架扣件国内外现状。

  
  目前,脚手架扣件多为铸造生产,其产品质量较低,污染大,人工成本较高,而冲压生产工艺过程造成的污染小,并且产品质量较高,性能较好,得到了人们的广泛认同,因此脚手架扣件在加工的过程中的使用数字一体化的冲压工艺生产模式将成为未来发展的必然趋势[2]。
  
  在国内,因为我国脚手架在建筑中应用较多,脚手架的研究方向很多,但对脚手架扣件的生产研究较少。黄丽莉[3]认为目前所使用的钢管脚手架主要包括扣件式钢管脚手架、碗扣式钢管脚手架、承插式钢管脚手架和门式脚手架,并且大约有70%的建筑施工使用的是扣件式钢管脚手架,是我国最常使用的脚手架体系之一。同时,脚手架和扣件作为建筑施工中的一种以解决高空作业为目的临时结构,其质量问题往往被操作人员所忽视,因此,常常引起安全事故的发生,造成了大量的经济损失。根据王绪旺[4]
  
  等人对引起工程事故因素的调查研究发现,其中通过扣件以及脚手架使用不正确引发的建筑工程事故占据总事故率的1/3左右;并且通过该事故造成的人员伤亡率在总的建筑事故人员伤亡率中达到1/2以上。因此,脚手架和扣件质量的好坏将直接关系到施工进度、项目成本和工程完成的质量。
  
  在国外,许多国家发生过许多灾难性的脚手架倒塌事件。因此对脚手架与所用扣件进行了大量研究,近年来对门式组合钢、插入式和铜锁式的扣件支架进行了大量研究。Beale[5-6]、Ao[7]和Yue[8]对由扣件搭建的脚手架的稳定能力和设计方法进行了系统研究,这些研究为扣件在单跨或双跨钢管连接脚手架中的应用提供了一种可靠的设计方法。Chan[9]等人在对脚手架节点的研究中考虑了预制钢脚手架中节点均匀加载的分析,使用有效刚度的概念来考虑扣件的连接问题,但其中没有考虑负载偏心。后来Peng[10-14]等人对脚手架的承载力做了相当深入的研究,Weesner[15]等人对钢框架脚手架系统进行了的试验测试,将脚手架中的扣件结构考虑为刚性节点,利用得出的数据校准了相关软件开发的脚手架系统的数值模型。
  
  虽然国内外对脚手架与所用扣件进行了大量的研究,然而,脚手架倒塌事故仍时有发生,给国家造成了相当大的损失。因此,应该仔细的排查引起脚手架安全事故的原因,寻求解决的方法,保证工程施工和工人的安全[16-21]。当然,造成这些事故的原因不仅仅有脚手架本身的质量的问题,其整个支撑系统中起连接作用的扣件,它的质量问题也是我们不容忽视的,例如,对8家山西企业生产的20组扣件进行的合格检验,主要重点放在检测脚手架扣件的外观要求(包含生产缺陷的外观和质量要求)和扣件的扣件力学性能(抗拉性能、抗滑性能、扭转刚度、抗破坏性能)方面。检验结束后,合格的产品为19个批次,不合格的产品为1个批次,因此,不合格产品的检测概率为5%,其中,不合格产品的问题主要在扣件力学性能不达标[22]。
  
  造成事故频频发生,不仅在于脚手架扣件的力学性能达不到合格要求,在国内,大多脚手架扣件的设计也存在不合理性,如图1-1(a)所示,国内扣件本身材质为铸铁,强度较差,整体结构为实体结构,使其重量偏重,加大了对脚手架支撑系统的负载,易造成事故。而国外脚手架扣件相对进步一些,如图1-1(b)所示,国外扣件大都采用钢制扣件,虽然加强了扣件本身强度,但其设计仍然采用传统设计,不仅成本高,而且本身重量并没有减轻,存在一定缺陷。
  
  
  
  所以本项目以脚手架扣件为研究对象,以减轻重量和提高扣件整体性能为目的,开发一种新型轻型全钢扣件,同时,设计该扣件节能环保的生产工艺及成形模具,提高扣件的生产率。
  
  1.3.2、脚手架扣件发展趋势。
  

  扣件作为脚手架支撑体系中的连接装置,竖管和横管的稳定支撑主要依靠扣件与钢管之间的摩擦,其性能好坏直接影响施工安全,故提升扣件性能至关重要。
  
  不仅如此,扣件的生产制造也应追求绿色制造,降低工业设备对人的依赖性,加强设备的生产柔性,使加工制造朝着数字化、精密化、轻量化、智能化以及多学科复合化等方向发展[23]。目前,中小型企业在努力追求尽量减少生产成本,优化扣件整体结构,提高扣件的稳定性能,并且力求生产过程绿色环保,为解决这些扣件生产所面临的问题,其最行之有效的方法为实现机械自动化生产。这样,才能使利润达到最大化,提高公司的竞争优势,更容易使公司接受[24]。
  
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  1.4 、论文研究的主要内容
  1.5 、本章小结
  
  第2章、新型全钢扣件抗滑试验研究.
  

  2.1、引言
  2.2、试验目的
  2.3、试验材料与方案.
  2.3.1、试验材料.
  2.3.2、抗滑性能试验方案.
  2.4、新型全钢扣件试验结果分析
  2.5、传统铸铁扣件试验结果
  2.6、新型全钢扣件与传统铸铁扣件试验结果对比分析
  2.7、本章小结
  
  第3章、新型全钢扣件有限元分析
  

  3.1、引言
  3.2、有限元计算理论
  3.2.1、有限元法方法原理.
  3.2.2、单元位移模式
  3.2.3、有限元软件
  3.3、新型全钢扣件有限元分析预处理
  3.3.1、有限元模型的建立
  3.3.2、接触分析.
  3.3.3、计算参数.
  3.3.4、载荷施加
  3.4、有限元结果分析
  3.5、试验与有限元结果对比分析
  3.6、本章小结
  
  第4章、冲压工艺分析
  

  4.1、引言
  4.2、冲压加工基本理论
  4.2.1、冲压加工基本工序
  4.2.2、冲压模具设计过程与要点
  4.2.3、金属塑性力学理论.
  4.3、回弹基础理论.
  4.3.1、影响弯曲回弹的因素
  4.3.2、应力-应变状态分析.
  4.3.3、回弹理论计算
  4.4、工艺分析,
  4.4.1、上盖工艺分析
  4.4.2、下盖工艺分析.
  4.5、弯曲回弹角计算结果分析
  4.5.1. 上盖弯曲第一 工序计算
  4.5.2 .  上盖弯曲第二工序计算
  4.5.3. 上盖弯曲第三工序计算
  4.6、本章总结
  
  第5章、上盖模具设计
  

  5.1、 引言
  5.2、设计计算过程.
  5.2.1、基于Pro/E的坯料长度计算
  5.2.2、切断力计算
  5.2.3、弯曲力计算.
  5.2.4、卸料力
  5.2.5、凸凹模及各个零部件间隙.
  5.3、预弯模具设计
  5.4、U形弯曲模具设计
  5.4.1、U形弯曲模主要结构设计
  5.5、压弯模具设计
  5.5.1、压弯模主要结构设计
  5.6、弯曲模主要结构强度分析
  5.6.1、有限元模型的建立
  5.6.2、实体建模和网格划分.
  5.6.3、约束与载荷施加.
  5.6.4、凸模有限元结果分析
  5.6.5、凹模有限元结果分析
  5.7、本章小结
  
  第6章、下盖模具设计.
  

  6.1、引言
  6.2、展开长度计算.
  6.3、模具设计及工作过程.
  6.3.1、 U形弯曲模具
  6.3.2、预卷弯曲模具
  6.3.3、卷圆弯曲模具
  6.3.4、压弯模具
  6.3.5、模具强度分析.
  6.4、本章总结

  总  结

  本文结合邯郸市科技技术研究与发展项目,针对新型轻型全钢扣件的生产中存在的问题进行研究,进行设计和研究符合国家标准的新型轻型全钢扣件生产模具,得到如下主要成果:

  (1)针对新型轻型全钢扣件的抗滑性能进行了试验研究,并与传统铸铁扣件抗滑性能进行比较,研究结果表明,新型轻型全钢扣件抗滑性能达到国家标准。

  (2)建立了新型轻型全钢扣件以及传统铸铁扣件的有限元模型,采用非线性接触理论对新型轻型全钢扣件的抗滑性能进行有限元分析,研究结果得到,同时,新型轻型全钢扣件抗滑性能优于传统铸铁扣件,并且提出了抗滑修正系数概念,为扣件抗滑性能研究提供了新思路。

  (3)对扣件回弹现象进行研究,提出了影响扣件回弹的几点原因,采用ANSYS有限元软件对扣件的各个生产工序进行了仿真分析,得到了扣件的回弹补偿量,为模具生产提供了依据。

  (4)根据新型轻型全钢扣件本身结构特点进行工艺分析,确定了扣件的成形方案,采用冲压工艺设计了扣件中典型零件的生产模具,解决了弯曲模具设计问题,提高了生产效率。

  (5)采用有限元理论对模具中主要结构凸凹模进行了强度仿真模拟,研究结果得到凸凹模的最大等效应力以及最大变形量,同时,指出了凸凹模在生产中疲劳损坏部位,为模具优化提供了依据。

  参考文献.

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