建筑门窗焊角强度的理解与软件开发.docx
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建筑门窗焊角强度的理解与软件开发
建筑门窗焊角强度的理解与软件开发
耿金良王丽黄志刚马海成
焊角强度不仅是塑料门窗的一项重要力学性能指标,也是衡量型材可焊性的一项重要指标,它可以直接反应出型材质量的优劣。
在JG/T3017-94《PVC塑料门》和JG/T3018-94《PVC塑料窗》的行业标准中规定,角强度平均值不低于3000N,最小值不低于平均值的70%。
在新修订的国家标准GB/T8814-200X《门、窗用未增型聚氯乙烯(PVC-U)型材》报批稿中规定,主型材焊角的平均应力≥35MPa,试样的最小应力≥30MPa。
目前,大部分企业的焊角强度测量仪采用“木楔支撑方式”,只有少数企业采用“小车滑动式”。
在新修订的国家标准GB/T8814-200X中,采用欧洲标准的可焊性试验方法,该方法正是采用的“小车式”。
为了加深对该试验方法的理解,促进新标准的实施,在此与大家探讨一些相关问题和软件的开发应用。
一、“木楔式”修订为“小车式”的原因何在?
为什么进行焊角试验直到断裂时的测角仪上显示的最大力值(Fc)“小车式”要小于“木楔式”?
(见图1和图2)
1、“小车式”:
应力σ反应的是被截表面上单位面积上所受的内力(MPa)。
因此对型材而言,不管型材断面如何、壁厚的大小,应力值真实地反应了型材的可焊性。
“木楔式”:
只是考虑焊角断裂时所受的最大压力值(Fc)来体现焊角强度,根据型材断面的差异,壁厚大小和工艺配方等因素的不同,用同一力值(Fc)来测量,从严格意义上讲是不准确的,它只反应了型材使用的可靠性。
2、在新修订的国家标准GB/T8814-200X中,公式为:
σc=Fc×[(ɑ/2-e/21/2)/2W](见图3) 公式一
式中:
σc—受压弯曲应力(MPa)
Fc—受压弯曲的最大力值(N)
ɑ—试样支撑面的中心长度(mm)
e—临界线AA'与中性轴ZZ'的距离(mm)
W—应力方向上的惯性矩I/e(mm3)
I—型材横断面ZZ'轴的惯性矩(mm4)
(T型焊接的试样必须使用两面中惯性矩较小值)
公式的由来:
(见图4、图5、图6、图7)
由变形几何方程知(见图6):
ε=[(ρ+y)dθ-ρdθ]/ρdθ=y/ρ
其中:
ρ为纯梁弯曲的曲率半径,y为到中性轴的距离
由虎克定律知:
σ=E×ε=E×y/ρ其中:
E为弹性模量
由静力学关系知(见图7):
M=∫yσdA=E/ρ∫y2dA=IE/ρ=Iσ/y
由型材受力分析知(见图4):
M=Fc/2×h=Fc/2×(ɑ/2-e/21/2)
由图5知,梁的最大正应力发生在最大弯矩截面的上、下边缘处,而型材焊角断裂时,发生在y=e(即C点,见图4)处。
由此可得出公式一:
σc=Fc×[(ɑ/2-e/21/2)/2×W]
把“木楔式”理想化(见图4和图8的对照),在受压时相对A、B两点产生位移(100变化很小,可忽略不计),即可近似相当于ɑ=100的“小车式”测量角强的方法。
对于同一种断面的型材,受压弯曲应力(σc)、临界线与中性轴的距离(e)、型材横断面的惯性矩(W)是不变的。
由公式一可以看出,ɑ值越大,Fc值越小。
因400(小车式)大于100(木楔式)。
所以,型材断裂时最大力值小车式Fc要小于木楔式Fc。
上述仅是结论,如果有兴趣,可根据上述公式的推导方法和图8的“木楔式”受力分析来计算两种试验方法得出的力值究竟差多少。
二、在公式一中,σc为测试结果,Fc可通过仪器上读出,ɑ值已定(400),那么e值的大小和I值的大小与方向该如何确定呢?
据材料力学的算法,计算起来相当复杂,这里不再叙述。
应用AUTOCAD绘图软件,问题就迎刃而解了。
由图2得出,Fc可分解为沿型材方向的力Fc2和垂直于型材侧面并指向安装玻璃一侧的力Fc1。
因此在AUTOCAD中惯性矩应垂直于Fc1方向,即:
惯性矩I(见下表)值,型材方向如图8(以60直边框为例)所示。
其大小计算方法如下:
1)首先按实际比例精确绘出型材的断面图
2)Command:
region
3)Command:
Subtract
4)Command:
massprop
弹出界面如下(所例数值是把质心移动到坐标原点的数值)
----------------REGIONS----------------
Area:
746.2032
Perimeter:
644.4043
Boundingbox:
X:
-24.7070--35.2930(e值)
Y:
-33.2839--26.7161
Centroid:
X:
0.0000
Y:
0.0000
Momentsofinertia:
X:
348171.0118
Y:
199048.0488(I值)
Productofinertia:
XY:
64444.1199
Radiiofgyration:
X:
21.6007
Y:
16.3324
PrincipalmomentsandX-Ydirectionsaboutcentroid:
I:
175057.7211along[0.34890.9372]
J:
372161.3396along[-0.93720.3489]
5、如果质心(Centroid)坐标不为(0,0),可将质心移动到原点,再重复步骤4),即可弹出上表。
6、由上表可得,e=35.2930mmI=199048.0488mm4
三、原标准中规定型材的下料长度为定值,即200mm。
而新标准中规定,试样支撑面的中心长度ɑ=400±2mm,由下面的公式可看出,对于不同断面的型材,e和B值都不同,则下料长度也不同。
那么,下料尺寸为多大时才能满足ɑ值呢?
根据图4得:
L=l+3=ɑ/21/2+2×(B-e)+3
式中:
L—型材下料尺寸(mm)
ɑ—试样支撑面的中心长度(mm)
B型材大面宽度(mm)
e临界线AA'与中性轴ZZ'的距离(mm)
l焊后型材长度(mm)
3焊接余量(mm)
四、就公式一存在的两点看法与同行们探讨一下,望指正。
1、根据新标准公式的推导过程,不难看出,是把a值定为
400mm使型材长度很短,简化成“梁”来计算弯曲应力。
否则型材是柔性物体(杆件),会产生如图9所示的变形,此时就不能简化成“梁”来计算弯曲应力(因为不符合计算条件),况且h1值要小于h值,那么,得出的结论自然就不准确了。
这就是新标准中为什么规定,试样支撑面的中心长度ɑ=400±2mm的原因。
2、根据推导弯矩M的公式可以看出,是把型材的正截面产生的最大正应力作为型材焊角断裂时的应力值,它反应的是型材的可焊性(σc)。
而实际当中,型材断裂是发生在45度斜截面上(σ),见图4,它反应的是型材的焊角强度。
因此,σc与σ从含义和数值上是不相同的。
五、根据公式一计算受压弯曲应力,比较麻烦。
单纯对同一种型材来讲,受焊接工艺参数、外部环境等影响,所表现出来的Fc也不尽相同,也要经过反复计算。
通过编程,开发一个小软件就可解决此烦恼。
1、可以直接进行AOTOCAD二次开发,不用算e值和I值就可达到目的。
由于编程比较繁琐和篇幅所限,这里不进行讲解。
如有兴趣,可以与本人联系。
2、利用MicrosoftVisualBasic6.0设计的焊角强度软件的功能有:
(1)型材断面图可自动显示;
(2)可选择不同的型材系列,对于每一种型材系列对应了不同的型材,选择了型材之后,该型材的下料尺寸能自动显示。
(3)输入测角仪上显示的力值,就可自动显示与之对应的弯曲应力值,并判断其大小是否符合新标准。
(4)如果把力值输入为1,那么显示的就是弯曲应力值与力值相比的系数。
3、软件开发步骤如下:
(1)首先建立一数据库db2.mdb,然后把型材系列、型材名称、型材规格及通过AOTOCAD计算出来的e值和I值录入该数据库中,L值(下料长度)可以直接录入也可以编写到程序当中。
(2)在窗体中加入下列程序所需的控件,制作一些精美图片和“小车式”受力图,再把型材断面图制作成.WMF格式的文件。
(3)以华安塑料型材有限公司为例,编写的软件程序如下:
(附有演示盘一份)
PrivatedbAsDatabase
PrivatersAsRecordset
DimaAsString
PrivateSubCombo1_Click()
Setdb=OpenDatabase(App.Path&"\db2.mdb")
Setrs=db.OpenRecordset("hajq",dbOpenDynaset)
IfCombo1.Text=Trim("P58平开直")Then
Combo2.Clear
rs.MoveFirst
Fori=0To4
Combo2.AddItemrs.Fields("代号").Value
rs.MoveNext
Next
EndIf
IfCombo1.Text=Trim("P58平开斜")Then
Combo2.Clear
rs.Move5
Fori=5To8
Combo2.AddItemrs.Fields("代号").Value
rs.MoveNext
Next
EndIf
IfCombo1.Text=Trim("P60平开直")Then
Combo2.Clear
rs.Move9
Fori=9To12
Combo2.AddItemrs.Fields("代号").Value
rs.MoveNext
Next
EndIf
IfCombo1.Text=Trim("P60平开斜")Then
Combo2.Clear
rs.Move13
Fori=13To15
Combo2.AddItemrs.Fields("代号").Value
rs.MoveNext
Next
EndIf
IfCombo1.Text=Trim("P65平开")Then
Combo2.Clear
rs.Move16
Fori=16To18
Combo2.AddItemrs.Fields("代号").Value
rs.MoveNext
Next
EndIf
IfCombo1.Text=Trim("T60推拉")Then
Combo2.Clear
rs.Move19
Fori=19To22
Combo2.AddItemrs.Fields("代号").Value
rs.MoveNext
Next
EndIf
IfCombo1.Text=Trim("T80推拉")Then
Combo2.Clear
rs.Move23
Fori=23To27
Combo2.AddItemrs.Fields("代号").Value
rs.MoveNext
Next
EndIf
IfCombo1.Text=Trim("T85推拉")Then
Combo2.Clear
rs.Move28
Fori=28To30
Combo2.AddItemrs.Fields("代号").Value
rs.MoveNext
Next
EndIf
EndSub
PrivateSubCombo1_Validate(CancelAsBoolean)
Text1.Enabled=True
EndSub
PrivateSubCombo2_Validate(CancelAsBoolean)
Data1.Recordset.FindFirst("代号='"+Combo2.Text+"'")
IfCombo2.Text=""Then
MsgBox"型材代号不能为空",,"出错!
!
"
ExitSub
'GoTo13
'Else
'EndIf
Else
aa=Trim(Combo2.Text)
bb=Format(aa)
Image2.Picture=LoadPicture("D:
\焊角强度\WMF\"+bb+".wmf")
EndIf
'13
EndSub
PrivateSubCommand1_Click()
UnloadMe
EndSub
PrivateSubCommand1_MouseMove(ButtonAsInteger,ShiftAsInteger,X AsSingle,YAsSingle)
CurrentX=X
CurrentY=Y
If5400 Command1.FontBold=True Else Command1.FontBold=False EndIf EndSub PrivateSubCommand2_MouseMove(ButtonAsInteger,ShiftAsInteger,X AsSingle,YAsSingle) Command2.FontBold=True EndSub PrivateSubForm_load() Image1.Picture=LoadPicture(App.Path&"\4.jpg") WithCombo1 .AddItem"P58平开直" .AddItem"P58平开斜" .AddItem"P60平开直" .AddItem"P60平开斜" .AddItem"P65平开" .AddItem"T60推拉" .AddItem"T80推拉" .AddItem"T85推拉" EndWith EndSub PrivateSubTimer2_Timer() Label7.Left=Label7.Left-50 IfLabel7.Left<=-200Then Label7.Left=6500 EndIf EndSub PrivateSubTimer1_Timer() Label9.Caption=Time Label10.Caption=Date EndSub PrivateSubText1_Change() Data1.Recordset.FindFirst("代号='"+Combo2.Text+"'") 'IfCombo2.Text=""Then 'MsgBox"型材代号不能为空",,"出错! ! " 'ExitSub 'Else e=Format(Text4.Text)'中性轴距离 i=Format(Text5.Text)'惯性矩 F=Format(Text1.Text) IfNotIsNumeric(Text1.Text)Then MsgBox"角强压力必须为数字",,"出错! ! " ExitSub EndIf IfLen(Trim(Combo2.Text))=0Then MsgBox"型材代号不能为空",,"出错! ! " ExitSub EndIf e1=e/1.414 k=200-e1 ii=2*i/e ff=F*k a=ff/ii Text3.Text=Format(a) 'EndIf IfOption1=TrueThen IfTrim(Text3.Text)>30Then Label6.Caption="恭喜! 您测试的角强合格" Else Label6.Caption="很遗憾! 您测试的角强不合格" EndIf Else IfTrim(Text3.Text)>35Then Label6.Caption="恭喜! 您测试的角强合格" Else Label6.Caption="很遗憾! 您测试的角强不合格" EndIf EndIf EndSub 以上观点和结论难免粗陋之处,请各位同行多交流,多提宝贵意见。 程序是在MicrosoftVisualBasic6.0下编写,可直接生成可执行文件(在MicrosoftOffice下运行),也可制作成安装文件。 参考文献: [1]《材料力学》,苏翼林主编,高等教育出版社出版 [2]GB/T8814-200X《门、窗用未增型聚氯乙烯(PVC-U)型材》 [3]AUTOCADR14等绘图软件和MicrosoftVisualBasic6.0编程软件
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- 建筑 门窗 强度 理解 软件 开发