基于响应面法与MOGA算法的竹集成材榫接合椅子节点力学分析及优化

竹集成材是符合“双碳”目标的可持续发展绿色材料,具有“以竹代木”的巨大潜力。本研究借助竹集成材优良材料性能,基于榫卯结构特性,以竹集成材榫接合椅子为例,运用有限元法(FEM)进行椅子静载荷及耐久性分析,探究竹集成材榫接合椅子及榫接合节点力学特性,搭建响应面模型求解竹集成材T型椭圆榫接合节点榫卯尺寸与其最大等效应力、总形变和最小安全系数的关系,并运用MOGA多目标遗传算法以形变最小化、安全系数最大化为优化目标,进行榫卯尺寸优化。结果表明:竹集成材榫接合椅子静载荷分析所得椅子最大等效应力为6.818 MPa,位于座面大边与椅后腿榫接合节点;最大等效应变值为4.245×10^(-3),位于椅子扶手与椅后腿榫接合节点;椅子发生的最大形变为4.433 mm,分布在椅子靠背位置。椅子耐久性分析所得最大等效应力及最大等效应变均位于椅子扶手与椅后腿榫接合节点,分别为4.999 MPa和3.113×10^(-3);椅子整体发生的最大形变为3.251 mm,位于椅子靠背上端。由竹集成材T型榫接合节点响应面分析可知,椭圆榫接合节点的最大等效应力及最大形变随着榫头厚度a及榫头长度l的增大而减小,安全系数随之增大,榫卯尺寸对T型榫接合节点力学强度的影响以榫头厚度a和榫头长度l为主,榫头宽度b影响不显著。运用MOGA算法优化竹集成材椭圆榫尺寸,优化结果与实际试验结果的相对误差为3.93%,相对误差较小,证明优化方法及结果有效。本研究为竹集成材椭圆榫的加工生产提供参考,并为竹集成材榫接合椅子的榫卯尺寸设计提供科学优化方法。

原竹抱口梁柱节点抗弯性能研究

竹材作为一种新型的绿色环保建筑材料,梁柱连接是现代竹结构推广需要考虑的重要问题。为了丰富原竹节点的形式,探究不同构造措施下梁柱节点的刚度和承载力,设计制作了3种形式的原竹抱口梁柱连接节点,按照金属连接件构造的不同命名为简易钢夹节点J1、贯通螺栓节点J2和自攻螺钉节点J3。每一种节点内部依据不同原竹等级设计3组试件,通过单调加载试验,探究节点弯曲力学性能及破坏特征,得到了3种节点的弯矩-转角曲线。基于弯矩-转角曲线变化特征,提出三折线刚度分析模型拟合节点分段刚度参数值,应用欧洲钢结构规范节点类型判别方法,对节点的半刚性程度进行了验证。结果显示:贯通螺栓节点J2和简易钢夹节点J1属于半刚性节点;自攻螺钉节点J3属于铰节点。研究表明:原竹等级对于简易钢夹节点J1和自攻螺钉节点J3的抗弯性能影响不敏感;对于贯通螺栓节点J2的抗弯性能影响显著,等级为T8时与连接件的协同工作性能最优。研究成果可为现代竹结构应用提供理论依据。

捆扎丝用钢连续冷却过程中的相变规律及组织研究

为消除捆扎丝用钢拉拔过程中出现的竹节现象,减少硬相组织的影响,提高组织的均匀性,采用热模拟试验研究了不同冷却速率条件下捆扎丝用钢的相变情况,结合组织形貌绘制了连续冷却相变曲线。结果表明,捆扎丝用钢经历热变形后,随冷却速率的增加,钢中铁素体及大块珠光体尺寸逐渐减小,但减小的趋势逐渐减弱,特别是当冷却速率大于5℃/s时,铁素体、珠光体尺寸变化不大。通过数据统计拟合,在冷却速率小于30℃/s范围内,建立了捆扎丝用钢连续冷却过程中铁素体晶粒尺寸d与冷却速率v的关系,表达式为d=35.56+6.59 ln(1/v)。

空间大行程套筒竹节式升降机构的设计研究

针对目前轨道悬挂式巡检机器人升降机构稳定性差、行程小的不足,设计了一种空间大行程套筒竹节式升降机构。结合工作现场的实际需求,给出了空间大行程套筒竹节式升降机构具体的结构设计和驱动控制方案。样机试制和试验结果表明,所设计升降机构运动平稳、震动小,能够满足废弃物处理现场巡检的需求。

定向重组展平竹集成材生产工艺

以竹展平板为基本单元制造定向重组竹集成材的工艺方法。将竹展平板涂布间苯二酚树脂胶黏剂,涂胶量为200-300 g/m 2,按照竹青面对竹青面、竹黄面对竹黄面的方式进行组坯,热压加工制成展平竹层积材,再采用指接的方式进行接长,获得性能优异的定向重组展平竹集成材,产品的尺寸规格一般为长1000-3500 mm,宽50-300 mm,厚60-150 mm。指接时相邻层板的指接接口需错开组坯,在常温下冷压4-5 h,冷压压力为1.0-1.5 MPa,后固化养生。

高强螺栓快速连接技术在静载试验中的应用

在确定单桩极限承载力方面,单桩竖向抗压静载试验是目前最为准确、可靠的检验方法。工程预制桩的单桩竖向抗压静载试验采用锚桩反力装置时,提出了竹节桩因桩顶无法兰盘,无法通过焊接的方式进行连接的问题。通过对竹节桩的成桩工艺进行研究,采用高强螺栓快速连接技术安全高效地组装完锚桩反力装置,顺利完成了项目的桩基检测任务,达到了很好的技术及经济效果,得到了业主及施工各方的一致好评,对类似的桩基检测项目具有一定的参考价值。

T型圆竹家具构件力学性能研究

竹材作为可再生资源,被广泛用于替代木材作为家具制造材料;圆竹加工工序简单、能耗小、绿色环保,但是圆竹中空、壁薄的性质使圆竹家具存在接合强度低、拆装不便等问题。基于此,本文提出了圆竹内壁铣削为正圆后与实木插接的方法,设计了两种T型竹-木插接结构,即T型可拆装接合点结构(TKC)和T形不可拆装接合点结构(TBC),并以传统的圆竹榫接合作为参照组,对比分析了改良结构的抗拔、抗弯性能。研究结果表明:1)TKC、TBC的平均极限抗拔力为4926、4464 N,分别是参照组的4.5倍和3.8倍左右;2)破坏弯矩为62.9、98.0 N·m,分别是参照组的4.2倍和6.5倍左右;3)平均抗弯刚度为8049.2、17324.4 kN·mm^(2),分别是参照组的1.96倍和4.2倍左右。两种新型竹-木插接结构均能满足圆竹家具构件的使用强度及刚度要求,可根据实际需求灵活选用;本研究提高了圆竹家具的结构力学性能,丰富了圆竹家具结构形式,有助于推进竹材的可持续发展与应用。

竹集成材钉节点抗剪性能试验研究

为研究铁钉直径和夹角对节点的破坏模式及承载力、滞回特性、刚度退化、耗能能力等性能的影响,对50个竹集成材(Laminated Bamboo Lumber,LBL)钉节点进行单调和低周反复荷载试验.结果表明:不同加载模式下的节点破坏模式存在明显区别.单调荷载作用下,节点的破坏模式主要表现为铁钉“双铰”模式和钉杆下部的纤维压碎破坏.而在低周反复荷载作用下大部分的铁钉发生了由于反复弯曲变形所致的疲劳断裂破坏,这种破坏现象却极少发生在振动台试验和实际的地震中.铁钉直径是影响钉节点受力性能的主要因素,节点的承载能力和刚度随铁钉直径的增加而显著提高,而夹角对节点的力学性能影响较小.LBL钉节点单调加载试件的承载力和刚度均比低周反复荷载加载试件高.加载初期试件的荷载-位移滞回曲线形状不饱满,具有明显的“捏缩”现象.试件的累积耗能随铁钉直径增大而增加,并随加载角度增大而减小.研究成果可为LBL钉节点的设计提供理论依据,并加速其在土木工程领域的应用.

可拆装竹集成材家具用榫接合的力学性能研究

【目的】为实现竹集成材家具绿色榫接合结构的可拆装性。【方法】设计了一款未施胶的可拆装榫接合结构,测试了施胶的榫接合结构、未施胶的2种不同粗糙度的榫接合结构以及未施胶的可拆装榫接合结构的抗拔力学性能及粗糙度,并分析了节点的破坏形态及其加载过程中的力学行为。【结果】施胶榫接合结构主要是胶层破坏,未施胶的榫接合结构则榫头与榫槽均未破坏;可拆装榫接合结构其粗糙度(5.64μm)小于对照榫接合结构(7.54μm),但其抗拔力(1961.0 N)远超对照组榫接合结构(520.7 N),同时该榫结构节点处接合紧固;榫接合结构的抗拔力位移曲线整体呈直线上升—缓慢曲线上升—直线上升—直线下降4个发展阶段。【结论】设计的可拆装榫接合结构加工简单,绿色环保,健康安全,榫头可实现批量化、标准化生产。该研究对竹集成材家具结构设计合理性具有重要的指导意义,有助于竹家具的创新发展。

玻璃纤维增强复合材料加固原竹螺栓组合节点的抗剪性能

在竹建筑结构中,最常见的螺栓连接节点经常出现顺纹劈裂。通过试验研究了包裹玻璃纤维复合布材(glass fibre reinforced plastics,GFRP)后对于不同螺栓组合节点抗剪承载力的提升效果及加固后抗剪承载力的影响因素,以期为今后工程中竹结构螺栓组合节点的设计与应用提供参考。选取无裂缝无竹节的竹筒,制备单螺栓连接、双螺栓平行连接下的原竹螺栓组合节点试件,不加固组无处理,加固组采用GFRP包裹增强,用单轴压缩试验方法加载。比较加固前后组合节点和GFRP增强节点之间的等效抗剪强度和破坏模式,得出竹筒直径、螺栓直径、螺栓端距和根数对于GFRP增强效果和极限承载能力的影响。GFRP的包裹约束使得节点避免脆性开裂,屈服应力和等效抗剪强度分别提升5.84%~28.46%和7.59%~29.77%。GFRP加固对组合节点的等效抗剪强度提升效果与螺栓直径、竹筒外径、螺栓端距正相关,与螺栓根数没有显著关系。螺栓直径和竹筒外径是影响等效抗剪强度的主要因素。GFRP包裹增强的组合节点等效抗剪强度按照Johansen螺栓屈服模型拟合计算得到的误差平均绝对值为6.4%,在工程中可以用于简化计算。GFRP包裹能有效提升原竹螺栓组合节点的等效抗剪强度,使节点破坏模式由脆性开裂破坏变为延性受压破坏。螺径、螺栓根数、竹筒外径的增大能提升GFRP加固节点承载力和GFRP的承载力增强效果,螺栓端距增大对承载力无显著影响。GFRP加固节点的承载力可以通过螺栓屈服计算模型拟合而较为准确地预测。

静钻根植竹节桩纵向振动特性及应用研究

针对"静钻根植竹节桩"这一新桩型的特点,建立考虑桩周土径向和竖向非均质的桩体纵向振动定解问题.采用阻抗函数递推方法,结合拉氏变换对定解问题进行求解,得到桩顶阻抗函数.利用卷积定理和傅里叶逆变换,求得任意激振力作用下桩顶速度响应的半解析解.通过比较低频范围内桩顶复刚度响应曲线和时域内桩顶速度响应曲线,分析竹节长度和竹节半径、桩周扩底高度和扩底半径、浆液配比及桩周水泥土硬化的时效性和搅拌均匀性等因素对桩顶动力响应的影响,揭示这一新桩型的动力特性.将理论计算曲线与现场实测曲线进行拟合对比.结果表明:理论计算曲线与现场实测曲线较为吻合,采用所建立的模型能够较好地反映静钻根植竹节桩的实际动力特性.

带肋竹节桩竖向抗压承载力影响因素分析

带肋竹节桩作为一种新型桩基,其竖向承载能力较普通管桩高,关于其承载特性的理论研究较少。基于现场实测对比试验分析,采用ABAQUS有限元计算对带肋竹节桩的承载特性进行研究,分析带肋竹节桩抗压承载力与竹节数、桩土模量比、肋径比、摩擦系数等参数的关系。研究表明,相对于普通预应力管桩,带肋竹节桩竖向抗压承载力的增大存在最优竹节数;带肋预应力竹节桩极限承载力随桩土模量比的增大而减小,最后趋于定值;随肋径比的增大,其极限承载力先增大后减小;随摩擦系数的增大,其极限承载力与承载力增强系数呈线性增大。在计算分析的基础上给出带肋竹节桩承载力影响因素,为相关工程设计提供一定的参考。

竹结构材连接件的承载能力

对竹结构材螺栓连接件的承载力和破坏形态进行了静载实验研究,结果表明:用竹结构材连接件的结构具有较高的强度、刚度,以及很好的延性。竹结构材连接件的夹板与螺栓同时达到弯曲变形破坏状态,具有较好的整体受力特征,能够保证剪力的可靠传递。

3种常用螺钉对家具用竹集成材面握钉力的研究

以福建省建瓯市所产的毛竹片和低甲醛脲醛树脂胶黏剂为原料,采用正交试验法研究螺钉种类、导孔直径、拧入深度对家具用竹集成材面握钉力的影响。结果表明,螺钉种类对螺钉接合强度影响不显著,其中十字槽沉头自攻螺钉对其影响大些;导孔直径和拧入深度对螺钉接合强度影响显著;减小导孔直径、提高拧入深度能显著提高螺钉接合强度。

竹醋液与农药助剂对表面张力的联合效应

为了扩大竹醋液使用范围和提高竹醋液使用量,研究了竹醋液与11种农药助剂对表面张力的联合效应。结果表明:竹醋液对十二烷基苯磺酸钠和十二烷基硫酸钠的表面张力影响较大,其联合作用方式表现为强烈的拮抗作用;而OP-10和BD-3071与竹醋液联合效应对表面张力作用最好,其联合作用方式表现为协同作用;竹醋液和木质素磺酸钙,渗透剂810,JFC,NS-146,GL-B005,VIS777和GL-B002表面张力有较小的影响,表现为相加作用。在测试的11种农药助剂中,OP-10和BD-3071与竹醋液联合作用效果最好。

斜接竹材的工艺与力学性能

斜接是高效利用竹材、并可保持接长竹材强度的一种加工方式。在理论分析竹材的最佳斜接角度的基础上,探究竹材的斜接工艺,并对比分析斜接竹材与指接竹材的力学性能。结果表明:1)采用聚氨酯胶,在常温环境、1.2MPa压力下,斜接竹材可获得最大的拉伸强度;2)斜接角度为3.81°时,斜接竹材的拉伸强度与抗弯强度,明显高于5.71°斜接竹材与指接竹材。

竹集成材家具木圆榫接合强度的研究

以福建南平建瓯所产的毛竹片和低甲醛脲醛树脂胶黏剂加工而成的竹集成材为基材,采用正交试验法研究木圆榫直径、木圆榫插入深度、木圆榫与板孔的配合过盈量对竹集成材家具木圆榫接合强度的影响。结果表明:木圆榫直径、木圆榫插入深度和木圆榫与榫孔配合过盈量3个因子对木圆榫接合强度均影响显著;增加木圆榫直径、提高木圆榫插入深度、适度加大木圆榫与榫孔配合的过盈量能显著提高木圆榫接合强度;综合考虑竹集成材家具木圆榫接合结构确定优化木圆榫接合强度因子为木圆榫直径10 mm,木圆榫插入深度19 mm,木圆榫与榫孔配合的过盈量+0.2 mm,这种木圆榫结构设计能使圆榫接合强度明显提高。

基于梁柱节点性能的钢-竹组合框架结构地震反应分析

为研究钢-竹组合框架中连接钢-竹组合柱和钢-竹组合梁的节点性能,通过拟静力试验得到不同参数下半刚性节点的弯矩与转角的多项式拟合关系,在此基础上建立了6榀2层钢-竹组合框架的数值模型,进行了地震作用下的有限元分析,探讨了节点对钢-竹组合结构抗震性能的影响。为充分考虑节点的半刚性特性,采用Combin39非线性弹簧单元模拟节点,研究了6榀框架在不同情况下的最大水平位移与最大基底剪力、水平位移与基底剪力时程曲线和滞回曲线等指标。结果表明:钢-竹组合框架滞回曲线饱满,抗震性能突出,提高节点处螺拴的强度和设置加劲肋对提高钢-竹组合框架的抗震性能有明显效果,节点的构建因素对框架的抗震性能有显著影响。

钢箍碳纤维布组合节点竹拱结构平面内稳定承载力试验

设计了一种钢箍碳纤维布组合节点,可以适应原竹管材的不规则性并对其进行有效接长,采用特定方法成拱,根据需要形成不同跨度的竹拱。为研究采用此连接节点的竹拱在全跨荷载作用下的平面内稳定承载能力、变形性能以及节点的连接性能,制作了2个10 m跨度的竹拱试件并进行平面内稳定承载力试验。试验结果表明:全跨荷载作用下,有平面外侧向支撑的竹拱试件在产生较大的平面内位移后,发生平面内反对称失稳;采用连接节点的竹拱延性好;节点在受荷全过程的连接性能良好,试件失稳后的破坏区域均处于临近节点的竹管部分。试验结果及有限元分析使进一步详细研究此类节点的受力机理、承载性能具有现实意义,同时推动此类节点竹拱结构的工程应用。

竹集成材家具典型角接合强度的测试与比较

对竹集成材家具典型角接合强度测试与比较结果表明:直角榫接合抗拔力大于圆榫接合,偏心连接件接合抗拔力与螺母倒刺扎入板材中深度有较大关系,因竹材本身硬度很大,尼龙螺母嵌入板较难,抗拔力也小;一般地,榫接合的胶合面积越大,抗拔力越大,破坏弯矩也越大。