1、    翻邊對開孔方板拉伸強度的影響    潘慧 王文勝 李婷 姜京華摘 要：本文利用ansys軟件建立了翻邊開孔方板的參數(shù)化模型，分析了單向拉伸載荷作用下不同開孔參數(shù)（開孔大小、翻邊長度、翻邊角度等）對開孔處應(yīng)力強度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，翻邊的存在能有效提高孔邊的強度，該結(jié)果為實際結(jié)構(gòu)的翻邊開孔設(shè)計提供了參考。關(guān)鍵詞：翻邊;開孔;方板;拉伸強度中圖分類號：to327;tb123文獻標識碼：a 文章編號：1003-5168（2020）05-0112-04abstract： this paper used ansys software to establish

2、 a parametric model of the flanged opening square plate， and analyzed the influence of different opening parameters （opening size， flanging length， flanging angle， etc.） on the stress intensity at the opening under the unidirectional tensile load. the research found that the existence of the flange

3、can effectively improve the strength of the hole edge， and the result provides a reference for the design of the flange opening of the actual structure.keywords： flanged;cutout;square plate;tensile strength在航空航天、船舶、建筑工程等工程結(jié)構(gòu)中，由于裝配、維修以及結(jié)構(gòu)減重或者性能優(yōu)化等方面的需求，人們經(jīng)常需要在承力構(gòu)件上開各種各樣、大小不同的孔。開孔對結(jié)構(gòu)的連續(xù)性產(chǎn)生了破壞，結(jié)構(gòu)強度被削弱，

4、許多結(jié)構(gòu)破壞發(fā)生在構(gòu)件開孔附近區(qū)域，因此研究開孔對結(jié)構(gòu)強度的影響有著十分重要的意義。對于開孔結(jié)構(gòu)孔邊強度問題，常用的解決方法有復(fù)變函數(shù)法1和有限元法2-3。在實際工程結(jié)構(gòu)中，采用沖壓開孔的方法在結(jié)構(gòu)上開孔，開孔的同時會在孔邊殘留一定高度的材料，即翻邊。翻邊開孔對結(jié)構(gòu)振動特性的影響已有諸多研究4-6，帶有翻邊開孔的方板結(jié)構(gòu)強度研究似未見報道。本文以帶有翻邊圓形開孔的方板為研究對象，采用ansys軟件建立其參數(shù)化模型，分析單向拉伸載荷作用下不同開孔參數(shù)（開孔大小r、翻邊長度l、翻邊角度）對開孔處應(yīng)力強度的影響及變化規(guī)律，為實際結(jié)構(gòu)的翻邊開孔設(shè)計提供參考。1 翻邊開孔模型方板的尺寸為200 mm&#

5、215;200 mm×5 mm，采用鋼材料，材料屬性分別為彈性模量210 gpa，泊松比為0.3，密度為7.8×10-3  g/mm3，如圖1所示。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，選取其1/4模型作為分析對象，利用ansys實現(xiàn)方板翻邊開孔的參數(shù)化建模與分析，選用shell181作為模型單元，建立模型，如圖2所示，在模型的兩條對稱邊上施加對稱約束條件，選擇模型最右端施加大小為1 000 pa的均勻拉力。為了驗證應(yīng)力對網(wǎng)格密度的敏感性，針對具有相同開孔參數(shù)的模型，進一步比較了翻邊圓弧線不同劃分數(shù)量對應(yīng)力的影響，如表1所示。結(jié)果顯示，孔邊的最大應(yīng)力（mpa）平均誤差非常小，因此采用第一

6、種單元劃分方式進行計算。同時，沿孔邊定義4條應(yīng)力分布路徑，如圖3所示。通過對比各路徑上的應(yīng)力數(shù)值，分析開孔參數(shù)對其拉伸強度的影響。2 開孔大小對方板拉伸強度的影響首先考慮方板開孔無翻邊的情況，圖4（a）給出了不同開孔半徑下應(yīng)力沿路徑1的分布。隨著開孔半徑的增大，該區(qū)域的最大應(yīng)力逐漸增大，數(shù)值變化明顯。當開孔半徑r=3040 mm時，路徑1上的應(yīng)力變化趨勢緩慢，最小應(yīng)力位置為起始點;當半徑r=5070 mm時，路徑1上的應(yīng)力變化趨勢劇烈，最小應(yīng)力位置偏離起始位置。固定翻邊角度=30°以及翻邊長度l=10 mm，下面研究開孔半徑對翻邊開孔方板的強度影響。為了對比清晰，首先給出了翻邊存在情

7、況下方板孔邊應(yīng)力沿路徑1的分布，如圖4（b）所示。與無翻邊情況相比，在相同的開孔半徑下，有翻邊開孔方板孔邊的最大應(yīng)力都較小，隨著半徑越大，兩者差距越來越大，例如，在r=70 mm時，無翻邊的最大應(yīng)力為3 222 mpa，有翻邊的最大應(yīng)力為950 mpa，翻邊能有效地減小開孔板的應(yīng)力，對開孔板強度具有較大影響。在同樣載荷作用下，由于翻邊的存在，方板沿路徑1的應(yīng)力值大幅降低，翻邊承受了部分載荷，因此翻邊上的應(yīng)力強度也同樣需要關(guān)注。圖5給出了不同開孔半徑下沿翻邊的三條不同路徑應(yīng)力的分布情況。在路徑2上，應(yīng)力值均增大，開孔半徑越大，應(yīng)力越大。在路徑3上，開孔半徑越大，初始應(yīng)力就越大，在路徑上逐漸減小，

8、經(jīng)過低應(yīng)力區(qū)域后又逐漸升高，開孔半徑越大，終止區(qū)域的應(yīng)力越大。在路徑4上，各開孔半徑下，應(yīng)力值沿路徑逐漸降低。3 翻邊長度對方板強度的影響保持翻邊角度=30°、開孔半徑r=50 mm不變，取表1中各翻邊長度參數(shù)進行分析，獲得翻邊長度的改變對開孔方板拉伸強度的影響。圖6給出了5個翻邊長度下孔邊應(yīng)力分別沿著4個路徑的分布情況。在路徑1上，應(yīng)力都逐漸增大，起始處翻邊長度越大，應(yīng)力越大，終止處正好相反。在路徑2上，應(yīng)力都沿著路徑增長，反映出翻邊長度越大、應(yīng)力值越小的特點。在路徑3上，應(yīng)力值都沿著路徑先減小后增大，起始處與終止處翻邊越長，應(yīng)力值越小。在路徑4上，應(yīng)力值沿著路徑減小，起始處與終止

9、處翻邊越長，應(yīng)力值越小。由此可見，在固定開孔半徑及翻邊角度的情況下，翻邊越長，孔邊的應(yīng)力值越小，這主要是因為隨著翻邊長度的增加，用來承受載荷的材料增多。4 翻邊角度對方板強度的影響保持開孔半徑r=50 mm，翻邊長度l=10 mm，下面分析翻邊角度的改變對開孔方板強度的影響，結(jié)果如圖7所示。翻邊角度的改變對應(yīng)力有較大影響，在角度為15°75°時，方板上的最大應(yīng)力值由944 mpa減小到731 mpa。但當角度增大到90°時，最大應(yīng)力值又升至922 mpa，這與結(jié)構(gòu)特點有明顯關(guān)系，當角度為90°時，翻邊與方板垂直連接，更容易出現(xiàn)應(yīng)力集中。在路徑1上，翻邊角

10、度在15°45°變化時，初始區(qū)域角度越小，應(yīng)力越大，而角度在60°90°變化時，初始區(qū)域角度越大，應(yīng)力越大。靠近終止區(qū)域，翻邊角度越大，應(yīng)力越大，各應(yīng)力值最后均趨近于500 mpa左右。在路徑2上，=75°時，應(yīng)力變化較為緩和;=15°60°時，應(yīng)力都增大;=90°時，路徑上應(yīng)力先急劇升高再降低，整體翻邊角度越大，終止區(qū)域的應(yīng)力越小。在路徑4上，總體大致呈應(yīng)力減小最后趨于穩(wěn)定的趨勢，起始處翻邊角度越小，應(yīng)力越大，終止處正好相反。5 結(jié)論本文對帶有翻邊圓孔方板的拉伸強度進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與無翻邊開孔情況相比，同樣

11、開孔半徑的情況下翻邊的存在增加了方板的強度，孔邊應(yīng)力強度顯著降低。翻邊長度的增加實際上增多了抵抗載荷的材料，因此體現(xiàn)出翻邊長度越大、結(jié)構(gòu)強度越強的特點。翻邊角度對結(jié)構(gòu)強度的影響體現(xiàn)出角度越大、應(yīng)力越小的總體特征，但角度90°是一種特殊情況，不建議采用。在實際工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中，人們要根據(jù)結(jié)構(gòu)強度和質(zhì)量等性能要求，合理選擇合適的開孔參數(shù)。參考文獻：1徐芝綸.彈性力學m.北京：高等教育出版社，2006.2張錦嵐，劉勇，李銘.加筋圓柱殼開孔結(jié)構(gòu)強度分析j.艦船科學技術(shù)，2017（1）：12-16.3欒德玉，王越，魏星，等.壓力容器非徑向開孔結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析和強度評定j.石油化工設(shè)備技術(shù)，2018（1）：13-17.4王文勝，王斌.翻邊開孔對矩形板動力性能的影響j.機械強度，2015（3）：467-471.5王文勝，魏豪杰，侯中華，等.翻邊開孔對矩形板振動頻率的影響j.船舶力學，2017（11）：1404-1413.6wensheng wang，sier deng，song zhang，et al.vibration analysis and optimization of a rectangular plate with flanging