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​不锈钢管稳定承载能力分析的有限元模型
时间:2021-08-30 09:10:26        点击量:【 】次

近几十年来,各国学者进行了最大的研究尝试来解释轴向压缩不锈钢管的实验值与理论解之间的巨大差异,这主要归因于以下四个因素:1)边界条件, 2) 屈曲前的变形,3) 几何缺陷,4) 载荷的偏心。最重要且被广泛接受的结论是,造成差异的根本原因在于不锈钢管的初始几何缺陷,即不锈钢管的初始缺陷敏感性。

有限元模型采用大型工程软件ANSYS10对试验中使用的冷弯不锈钢管进行模拟。参考被测样品的几何形状、初始局部缺陷、一般缺陷和材料特性,通过模拟有限元模型进行屈曲分析需要两个步骤。第一步是特征值分析,它测量屈曲模式。这是一个线弹性分析过程。在后面的非线性分析中,第一模态作为缺陷的初始状态;第二步称为充电一。非线性位移分析综合考虑几何缺陷、材料非线性等因素,可以得到不锈钢管失效时的极限载荷、失效模式和轴向压缩。

如上所述,当薄壁钢管没有端部限制时,直接在端部加载时很容易产生最终效果。因此,在实际工程中,一个承重板(如法兰),这种承重板比不锈钢管要坚固和坚固得多,不锈钢管也是在模型中制作的。

边界和加载条件:不锈钢管固定在试验机上。除沿轴向力方向的压缩位移外,其余端部自由度均受到限制。因此,模型中底端板所有节点的自组装受到限制。除上端板轴向位移外,其余自由度均受到限制。除两端节点外,不锈钢管中心部分的所有节点均不受任何限制。试验机采用分步加载方式施力,加载条件等效于静载荷。对于软件非线性屈曲分析,达到这种条件的方法是逐渐施加恒定的载荷增加。对于非保守路径相关系统,应施加足够小的增量载荷,以确保分析立即遵循载荷响应曲线的结构侧;在初始力施加期间施加足够小的载荷增量,例如1/100 为了使载荷达到预期的临界屈曲载荷:激活二分法和自动时间步长功能程序将在结束时计算最佳时间步长每个子步骤取决于结构对载荷的响应。减小步长可能会提供更准确的解决方案,但需要更多时间。自动计时步长是根据精度和速度取一个合理的步长值。屈曲载荷平分特性的自动搜索是在解不收敛时使用最小的步长重新计算收敛并在大变形分析中激活NLGEON非线性几何参数选项和线性搜索功能以加强收敛.

初始缺陷模拟试验表明,根据柱截面长度和尺寸的不同,较大的径厚关系更容易引起局部屈曲或局部屈曲与一般屈曲的积分响应,而较小的直径-厚度比更容易导致性能故障和整体屈曲。所有被测不锈钢管均存在局部几何缺陷和一般缺陷,因此根据实测值,计算模型中还考虑了初始局部缺陷和一般缺陷。这些不同的屈曲模式可以通过改变套管单元的实常数来获得不同径厚关系的不锈钢管,并对这些不同径厚关系的不锈钢管进行特征值分析。由于不锈钢管对几何尺寸的敏感性,改变直径-厚度关系可以改变每根不锈钢管特征值在局部屈曲和整体屈曲之间的一阶屈曲模态。在大应变的非线性分析中,引入了一阶特征值模式。对于短柱(根据不同的径厚关系,短柱的概念不同。一般来说,径厚比越大,短柱的绝对尺寸越大。长),只引入局部缺陷。进入ANSYS程序特征值分析得到的一阶屈曲状态后,由于体对缺陷的敏感性,最终屈曲模式会受到测得的初始局部缺陷值和全局缺陷值的影响.

本章通过冷弯薄壁不锈钢管的有限元分析,得到了冷弯薄壁不锈钢管在轴压作用下的极限载荷和破坏模式。与试验结果对比表明,模型极限荷载计算结果一致,等级很好,失效模式与试验一致,证明了模型的有效性和可靠性。

分析结果初步表明,薄壁不锈钢管的极限承载力受多种因素影响,其中最重要的影响因素包括:个初始缺陷、不锈钢管径厚关系和长细比。一般规律是在:长度相同的情况下,随着不锈钢管径厚比的增大,不锈钢管的极限承载力呈非线性增加,屈曲方式逐渐由一般屈曲转变为局部屈曲正如预期的那样;对于一般的屈曲,径厚比大的不锈钢管需要更长的长度;同样的径厚比,越短的不锈钢管承载能力越高:不锈钢管越短,越容易局部卡扣,这也是局部事实。短柱小于长柱;此外,增加初始缺陷会导致最终负载能力急剧下降。

从应力云图和随时间步长的响应曲线可以看出,除了压缩破坏的材料蠕变形式外,其他破坏形式的最大应力都发生在结构的最大挠度处,由于材料的非线性,不锈钢管在变形过程中基本上是塑性的。

通过有限元分析可以得出结论,采用有限元方法,根据实验给出的初始条件和材料特性对不锈钢管进行有限元模拟分析。在此前提下,采用大型有限元软件对薄壁不锈钢管件进行仿真Real试验结果可靠,基于有限元数值分析方法的数值试验不线性,是一种经济、方便、经济的方法。替代大量重复的不锈钢管负荷试验时间法。


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