焊接结构参考策划书

一、作品名称轻量化焊接桁架结构二、设计内容2.1设计要求自由设计空间桁架焊接承载结构，结构应具备明显的桁架部件经局部焊接形成连接并承载的特征。桁架限定结构总质量不超过0.3kg，要求结构件高度不低于180mm，必须保证结构上部有一个固定面积不低于400mm2的承力面且下部有固定面积不低于600mm2的承力面，考查结构件的承载能力及承载力质量比。2.2优化设计思路设计分为6步:基础结构的选择。为减少结构加工难度，以及减弱大量焊接节点对结构性能的影响，故选择2种典型的桁架截面形状：正三角形和正四边形，以它们为基础进行桁架结构设计优化。确定桁架结构立柱与底面的夹角θ以及横截面形状。改变2种横截面形状的结构其立柱与底面的夹角θ，利用静态结构分析和屈曲分析得到临界失稳载荷F，作F/m随夹角θ的变化曲线分析获得最大F/m值。确定横杆层数。考虑到焊接加工，节点不宜过多，故层数不宜超过5层。按照确定的θ值设计模型对它们进行承重比的比较，确定出最佳层数。横杆位置添加。由于对横杆和斜杆一起进行优化，涉及的问题较为复杂，同时对于计算机的算力要求较大，我们将横杆根据不同“层差”从上往下依次分布考虑结构的承载能力。斜杆连接方式确定。斜杆连接方式的几何形状分为2类：“彡字形”和“之字形”，2种不同斜杆分布方式的结构其质量相同。对2种斜杆的连接方式的结构进行静态结构分析和屈曲分析，作2种斜杆连接方式的临界失稳载荷F对比。斜杆位置添加。我们采用逐级优化的方法。在添加了横杆的结构上添加斜杆，并考虑焊接的便捷性以及相同位置施焊容易造成结构局部变形和应力集中，来添加斜杆。2.3结构设计过程2.3.1确定基础结构 （a）截面正三角形的棱台（b）截面正四边形的棱台图2-1基础结构截面形状选择正三角形和正四边形2种形式，设计如图2-1，仅包括支撑杆和上下承力面的简单结构，该2种结构的上部承力面面积一致(600mm2)，高度相同(180mm)。改变棱边与底面的夹角θ，采用ANSYS进行屈曲分析，计算结构的临界失稳载荷，得到各结构的承重比F/m随θ的变化曲线(图2-2)。由图2-2可以看出，θ在某一角度区间时,2种结构的承重比F/m达到最大值。图2-2基础结构F/m随立柱与底面夹角θ变化曲线图2.3.2立柱与底面夹角θ及横截面形状优化因基础结构未考虑在横截面形状不同时，在添设横杆和斜杆后对其质量带来的影响是不同的，因此不能把基础结构达到最大承重比时的θ定为桁架结构的立柱与底面夹角。（a）截面正四边形的完全结构（b）截面三四边形的完全结构图2-3完全结构我们优化设计的模型选用“完全结构”。所谓“完全结构”是指在基础模型上预先添加一定数量的横杆与斜杆，并且使得每个侧面的每根横杆都有斜杆相连接。文中采用等分四层桁架结构作为“完全结构”进行优化（图2-3）。（a）截面正三角形的棱柱截面正四边形的棱柱图2-4两横截面形状完全结构屈曲分析结果图改变2种横截面形状的结构其立柱与底面的夹角θ，利用静态结构分析和屈曲分析得到临界失稳载荷F，获得最大F/m值（如图2-4）。作F/m随夹角θ的变化曲线，如图2-5所示。图2-5完全结构F/m随立柱与底面夹角θ变化曲线图从图2-5可以看出，随着θ的变化，2种形状横截面的桁架结构的最大F/m值变化趋势相似，2种曲线均呈现先增大再突然下降的趋势，最终根据图中2条曲线各自峰值位置确定横截面为正三角形结构的夹角θ优化值为84°；横截面为正四边形的结构的夹角θ优化值为81°。因正四边形桁架结构的承重比大于正三角形桁架结构，因此桁架基础结构形式确定为正四边形棱台。图2-6完全结构F/m随立柱与底面夹角θ变化曲线图但对于夹角θ的优化值是否为81°，对于不同形式的桁架结构其稳定状态下立柱与底面的夹角的变化区间是否相似仍需要讨论，故我们又改变了横杆各层的高度，得到3个“完全结构”模型，对它们进行了静态结构分析和屈曲分析得到临界失稳载荷F，作F/m随夹角θ的变化曲线并与原正四边形完全结构模型进行比较，如图2-6所示。从图中可以看出其夹角θ的最优值区间为81°-83°。因此我们可以大胆推测不同形式的桁架结构其稳定状态下立柱与底面的夹角的变化区间很可能相似，并考虑之后焊接所需质量储备，故选择83°作为夹角θ的优化值。2.3.3桁架层数优化桁架结构在实际焊接过程中，若层数过多，导致焊接节点较多且密集，构件受热变形大，容易导致焊后产生较大的残余应力，对材料的性能损害较大，同时层数过多也会使结构质量上升，因此设定桁架层数最多为5层。(b)（）（）（）（）（（））(a)(b)（）（）（）（）（（））(a)（）（）（）（）（（））(d)（）（）（）（）（（））((d)（）（）（）（）（（））(c)（）（）（）（）（（））图2-7不同层数桁架结构屈曲分析结果图(a)两层桁架结构(b)三层桁架结构(c)四层桁架结构(d)五层桁架结构我们按照θ为83°设计了层数从2-5共4个完全结构模型，对它们分别进行了静态结构分析和屈曲分析得到临界失稳载荷F，获得承重比F/m值。（图2-7）表2-1不同层数桁架结构承重比比较层数临界失稳载荷(N)质量(g)承重比(N/g)五层36148.84267.78134.99四层36968.02250.34147.67三层27925.00219.60127.16两层14188.37200.4770.78从表2-1可以看出，桁架结构为4层时，承重比最大，同时比五层质量更小，再考虑到焊接加工，节点数目不宜过多，故桁架层数为4层。2.3.4添设横杆定义hi为相邻横杆间高度差（i为桁架层数）某层横杆间的高度差相邻上一层横杆间的高度差的差值定义为“层差d”，即d=hi+1-hi，将横杆根据不同的“层差”从上往下依次分布考虑结构的焊接性，设计高度差hi不小于20mm。整体的高度H=180mm，层数N为4层，利用等差数列求和公式推导：H=nhi+1/2*n(n-1)d20≤hi≤45图2-7F/m随d的变化由式可得0≤d≤16.7。以2mm为间隔选取9个层差值，对不同的层差下的桁架结构进行静态结构分析、屈曲分析和响应面分析，得到桁架结构的最大F/m值，绘制了F/m随d的变化曲线，如图2-8所示。从图中可以发现，随着“层差d”的增加，在d＞0时，最大F/m值变化曲线出现陡降，而最大F/m的变化趋势与结构临界失稳载荷变化一致，因此最大F/m突然下降主要是由于结构的承载能力F的下降导致，当d=0是结构的承载能力更好，也具有更高的承重比最好，等分横杆分布形式。2.3.5斜杆连接方式优化斜杆连接方式按照同一侧面相邻斜杆分布方式进行设计，其构成几何形状主要分为2如图2-8所示，2种不同斜杆分布方式的结构其质量相同。对2种斜杆的连接方式的结构进行静态结构分析和屈曲分析，作2种斜杆连接方式的临界失稳载荷F对比，如图2-9所示。图中桁架的斜杆以“”型方式连接的桁架结构的失稳临界载荷值较高，这是因为“”型的连杆分布中，相邻的连杆与立柱构成形状为三角形，因此桁架结构具有更好的稳定性。因此确定斜杆的连接方式为“”型。2.3.6添设斜杆为了便于分析，设计过程中定义两个变量。设斜杆与横杆在支撑杆上的焊点之间的距离为d。为了方便设计和计算，该斜杆的另一端焊点位置距上一层横杆焊点的距离也设为d。定义计算的临界失稳载荷除以该层斜杆的总质量为斜杆的利用比η。采用逐层斜杆优化方法进行设计，从底部第1层开始优化，利用ANSYSWorkbench有限元计算分析得出临界失稳载荷F/N—d和利用η—d变化图。各层F/N—d和η—d变化曲线如图2-10。第一层(b)第二层(c)第三层(d)第四层图2-10临界失稳载荷F/m—d和利用比η—d曲线图2-10中可知，第1层斜杆添加位置最优的点应该是利用比η最大的点，即d＝11mm。该斜杆位置也是承载力和质量配置最合理的点，这样就解决了斜杆位置优化问题。第2层利用比η最大的点为d=14mm。第3层利用比η较大的点为d=13mm。第四层利用比和承重比均较好的点是d=11mm。2.4模型最终优化数据立柱与底面的夹角θ为83°，上顶面圆心之间的距离为20mm,桁架结构共分为四层，横杆位置按照180mm等分,分别为0mm,45mm,90mm,135mm,180mm。每层斜杆的位置如下图2-11所示。图2-11最终优化模型尺寸图图2-12最终桁架结构模型图2.5焊接点的作用设计方案中立柱与地面的夹角设计为83°，横杆与立柱、斜杆与立柱相贯线复杂。若采用加工设备加工出马鞍口必然引起成本的上升，手工下料时各连接部分均有间隙。这时通过焊接材料填充间隙和补偿焊接处的收缩下凹，起到一定的填充作用，增加了连接处的可靠性。焊接相较于其他的连接方法具有刚度大，整体性强的特点。零件加工精度要求不像铆接、螺栓连接那样严格，连接性能比较好。对于桁架来说，焊接是一种适合的连接方法。桁架在上下压头的作用下，主要受力的部分是四根立柱。为了抵抗构件的失稳变形和屈服变形，添设了横杆与斜杆。这时通过焊接接头与立柱相连，起到了传力的作用。三、达成连接的方案与技术方法基于设计的桁架结构进行焊接，针对该桁架结构材料为钛合金且结构较小特点，采用手工TIG焊，并采用钛合金焊丝进行焊接。为减小焊接变形和保证焊接件按照设计进行焊接，按照先外框后连杆的顺序进行焊接，先焊接出两面再将两面之间的横杆和斜杆连接起来，在焊接两面之间的连杆时可以先用胶水将桁架结构预连接，再进行焊接，这样可以极大地保证焊接件按照设计要求完成焊接。同时为保证桁架结构的试验值与设计模拟值尽可能相近，下料时我们尽可能使零件加工出马鞍口以使桁架结构各部分接触良好。同时在每一个棒料切割时留出打磨余量，以便于后期打磨和保证相同零件的尺寸等参数相同。后期打磨时先粗磨磨掉毛刺等切割缺陷，再精磨，精磨时每一次都要用游标卡尺进行测量以保证不超出设计参数。四、力学性能分析将三维实体模型导入ANSYSWorkbench中进行静力分析和非线性结构瞬态分析，如图4-1所示。（a）静力分析(b)失稳变形图4-1最终桁架结构受力分析计算得到的静力变形如图4-1（a），失稳变形如图4-1（b），结构总质量为0.238kg,计算出临界失稳载荷为42000N，考虑到焊接会造成支撑杆产生一定变形，实际结构的临界失稳载荷可能会小于此值。五、成本核算项目分类数量价格成本成本总计材料6mmTC4钛合金棒300g90元105元155元1.2mm钛合金焊丝30g12元瞬