摘 要：基於幹掛石材板，以彎曲強度分析方法為研究方向。首先，對比分析了三點式彎曲強度試驗方法和四點式彎曲強度試驗方法的工作原理以及優缺點；然後，分別建立兩種方法下的幹掛石材板結構的有限元模擬模型，透過對比有限元分析資料和試驗分析資料，驗證了模擬模型的可行性。探索出了幹掛石材板彎曲強度的模擬分析方法，能夠準確、有效的預測其彎曲強度。該研究方法不僅解決了具體的石材彎曲強度工程設計問題，而且總結設計過程，提出一套切實可行、經濟高效的石材彎曲強度的試驗方法，節約了研製時間和減少了材料浪費，具有一定普遍性，能夠有效削減研發成本和縮短開發週期，同時還可應用到其他型別的石材板強度分析的問題中。
關鍵詞：幹掛石材板；彎曲強度；模擬模型；分析方法
1 前 言
幹掛石材，又名空掛石材，與傳統石材使用相比，是目前牆面裝飾中一種新型的施工工藝。幹掛石材多以金屬材料為掛件，將飾面石材直接吊掛於牆面或空掛於鋼架之上，不需像傳統石材進行灌漿貼上。其原理是在主體結構上設定幾處主要受力點，透過金屬掛件將石材固定在建築物上，形成石材裝飾幕牆[1]。隨著幹掛石材越來越多的使用在建築工程中，標誌著幹掛石材板已經取代了傳統的溼作業施工，成為現代裝修裝潢的首選材料。
與傳統石材板的使用不同，幹掛石材板具有諸多優點，比如：可避免表面汙染、變色“反鹼”，使石板保持色彩光澤；可避免溼作業，少受氣候變化影響，節約冬施、雨施費用；可避免石材脫落，減少維修費用；連續作業，可提高施工速度；減輕了構築物自重並預留保溫空間等，不僅提高了建築工程的可靠性，同時有效減輕了建築物的重量，降低了裝修裝潢的成本[2]。
幹掛石材板在使用過程中，主要承受的是風載荷、面外集中載荷的作用，其變形主要以彎曲變形為主，大多數情況下幹掛石材板的破壞形式為彎曲破壞。透過對幹掛石材板的耐風壓試驗可知，絕大多數的石材板均為從中間破壞。隨著幹掛石材板在建築工程中越來越高比例的使用，對準確預測幹掛石材板的彎曲強度提出了更高要求，這是影響大規模推廣使用幹掛石材板的重要原因，是亟需解決的一項關鍵技術[3]。
為準確預測幹掛石材板的彎曲強度，傳統的方法是在已有經驗和工藝試驗的基礎上對石材板進行反覆的調整和重複試驗，耗費大量的人力和物力，且研製迭代效率較低，週期較長。
目前，利用有限元數值模擬模擬方法來進行幹掛石材板彎曲強度分析，繼而進行概念設計，能夠有效提高幹掛石材板設計的效率，節省材料，降低成本，同時改善石材板的設計方案，實現幹掛石材板結構的設計製造一體化。
2 分析方法介紹
目前對幹掛石材板進行彎曲強度試驗分析的方法主要有兩類[4]：一類是三點式彎曲強度試驗分析法；另一類是四點式彎曲強度試驗分析法。
2.1 三點式彎曲強度試驗分析法
三點式彎曲強度試驗分析法是根據國家標準GB/T9966.2-1998設定而成，按照標準規定，試驗件的尺寸定義為160mmx40mmx20mm，將試驗件簡化為簡支梁處理，試驗示意圖如圖1所示，圖2為相應的彎矩示意圖。
圖1 三點式彎曲強度試驗示意圖
圖2 三點式彎曲強度試驗彎矩示意圖
圖中F為試驗件承受的破壞載荷， L為兩支點間跨度，h為試驗件厚度，FL/4為試驗件所承受的最大彎矩。
2.2 四點式彎曲強度試驗分析法
四點式彎曲強度試驗分析法是在三點式彎曲強度試驗分析法的基礎上，借鑑美國ASTM C880-96標準而形成的。該試驗方法規定試驗件的尺寸為350mmx100mmx20mm，試驗示意圖如圖3所示，圖中厚度為h的幹掛石材板為試驗件。圖4為相應的彎矩示意圖。
圖3 四點式彎曲強度試驗示意圖
圖4 四點式彎曲強度試驗彎矩示意圖
圖中F為試驗件承受的破壞載荷， L為試驗件兩支點間跨度，h為試驗件厚度，FL/8為試驗件所承受的最大彎矩。
2.3 兩種試驗分析法的對比
由圖4可以清晰看出，四點式彎曲強度試驗中，處於中間L/2寬度的試驗件為純彎曲狀態，該部分的試驗件橫截面上的彎矩處處相等，且不受剪力載荷，但是三點式彎曲強度試驗卻做不到這一點。所以，與三點式彎曲強度試驗方法相比，四點式彎曲強度試驗更有利於獲得更加準確的幹掛石材板的彎曲強度值，以及更容易發現石材板內部的缺陷。
但是，四點式彎曲強度試驗方法實施過程中要較三點式彎曲強度試驗方法複雜一些，對試驗件的要求也更高。
3 有限元模擬分析
3.1 模擬模型的建立
分別對三點式彎曲強度試驗件和四點式彎曲強度試驗件進行有限元模擬建模，均採用三維實體單元，使得所構建的模型具有更高的真實性和可行性[5]。
在計算之前，對模型進行檢查是很有必要的，可提前發現問題，提高工作效率。其中必須要對有限元模型進行靜力檢查，確保模型能夠進行計算。
對兩個試驗件結構的墊塊位置進行全自由度的約束，以模擬試驗件結構平放在工裝平面上。同時，分別施加以試驗件所能承受的破壞載荷進行有限元模擬計算。如圖5、圖6所示。
圖5 三點式彎曲強度試驗件有限元模型
圖6 四點式彎曲強度試驗件有限元模型
3. 2 模擬模型的分析
分別對三點式彎曲強度試驗件和四點式彎曲強度試驗件進行有限元模擬分析，提取各自的彎曲應力雲圖，如圖7、圖8所示。
圖7 三點式彎曲強試驗件應力雲圖
圖8 四點式彎曲強度試驗件應力雲圖
由應力雲圖可以清晰看出，兩個模型的有限元分析結果與試驗分析結果完全一致，說明了所構建的有限元模擬模型與其真實情況有較高的逼近性，證明了計算分析模型的合理性和可行性，即能夠反映出幹掛石材板實際的受載狀態，以及其真實的彎曲強度值，為進一步研究普通石材板奠定了基礎。
4 結論
本文以建築工程中常用的幹掛石材板為研究物件，透過有限元分析結果和實際結構測試結果進行對比分析，驗證了有限元計算模型的正確性和合理性，說明了數值模擬結果與實測值具有較好的一致性。
綜上述，利用有限元數值模擬的方法去模擬幹掛石材板的彎曲強度的過程是合理有效的。並且總結出了利用有限元軟體對於石材板彎曲強度分析的一般流程、注意事項及相關標準，能夠快速分析出石材板彎曲強度的數值，簡化了設計過程，縮短了開發週期，減少了試驗次數，削減了研發成本，同時改善了試驗環境，提高了石材板彎曲強度測量的準確性，對於石材板的初期測量與使用有著重要的指導借鑑作用。
參考文獻：
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[2] 趙民. 石材三維設計及加工技術[M].北京：機械工業出版社，2014
[3] 張碩.基於中國傳統文化的現代墓園墓碑設計[D].北京林業大學.2012.
[4] 鄭春岐，李萬新.天然石材彎曲強度試驗方法分析 [J].石材，2002,10(8)：17-18.
[5] 李楚琳，張勝蘭，馮櫻，等.HyperWorks 分析應用例項[M].北京：機械工業出版社，2008.
[6] 張修路，姚國鳳，韓春楊，等.汽車排氣系統的懸掛點對減振效果的模擬分析[J].系統模擬學報，2014,26（4）:796-801
作者簡介：張修路，男，山東菏澤人，漢族，碩士，工程師，研究方向為結構的有限元模擬分析；
杜芳靜，女，遼寧朝陽人，漢族，碩士，高階工程師，研究方向為結構有限元模擬分析；
趙民，男，遼寧瀋陽人，漢族，博士，教授，中國石材工業協會專家。
本文原創首發《石材》2019年12期，經作者授權在石材範兒轉載。
