姜陸彬?。ê戏使I(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)
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鋁合金圓管受彎構(gòu)件數(shù)值分析
姜陸彬(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽合肥230009)
簡(jiǎn)述了鋁合金圓管受彎構(gòu)件的數(shù)值模擬研究,通過運(yùn)用有限元軟件ANSYS對(duì)鋁合金圓管受彎構(gòu)件進(jìn)行了分析。在有限元模型中,考慮了試件的幾何非線性和材料非線性,試件兩端承受簡(jiǎn)支邊界條件,對(duì)試件跨中施加一個(gè)豎向面荷載。為了獲得不同試件的極限荷載,本次模擬共模擬了34個(gè)試件,兩種直徑,三種跨度,七種截面厚度。通過參考直接強(qiáng)度法,采用系數(shù)折減法,提出了關(guān)于鋁合金圓管受彎構(gòu)件直接強(qiáng)度法計(jì)算公式,并與有限元結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。
鋁合金;圓管;受彎構(gòu)件;數(shù)值分析
鋁合金作為一種新型的建筑材料,由于其質(zhì)量輕、密度小、外形美觀、耐腐蝕性好、低溫韌性好、可擠壓成型、可循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn)[1],在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用越來越廣泛,尤其是2007年我國(guó)制訂了《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2],更加推動(dòng)了鋁合金在我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。
鋁合金構(gòu)件作為一種新的結(jié)構(gòu)形式,是由鋁合金材料制造而成,其基本構(gòu)件的力學(xué)性能有很多與鋼結(jié)構(gòu)相似[3],但又有些許不同,如鋁合金的比強(qiáng)度高、彈性模量低、溫度變形大等,因此不能照搬鋼結(jié)構(gòu)的計(jì)算公式,因此國(guó)內(nèi)外各大高校和科研單位展開了對(duì)鋁合金結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件的力學(xué)性能的研究。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)鋁合金軸壓構(gòu)件的研究比較深入和廣泛[4-8],而對(duì)鋁合金受彎構(gòu)件,國(guó)內(nèi)這方面的研究才剛起步。而對(duì)于鋁合金開孔受彎構(gòu)件,尤其是圓管受彎構(gòu)件的研究,在國(guó)內(nèi)是沒有的。
1.1單元類型和網(wǎng)格尺寸
本文采用SHELL181單元來模擬管材,此單元為4節(jié)點(diǎn)殼單元,每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有六個(gè)自由度,適合用來分析厚度較薄或中等厚度的殼體結(jié)構(gòu)。對(duì)模型網(wǎng)格尺寸的劃分,本文采用映射網(wǎng)格劃分法,每個(gè)網(wǎng)格尺寸均為10mm。
1.2材料本構(gòu)模型
在本次有限元模型中,所采用的鋁合金材性數(shù)據(jù)來自ZHU[9]所做的材性試驗(yàn)。在進(jìn)行有限元求解時(shí),采用了大變形分析,產(chǎn)生了較大的應(yīng)變,因此,應(yīng)采用如下公式將測(cè)量得到的應(yīng)力應(yīng)變轉(zhuǎn)換成真實(shí)的應(yīng)力應(yīng)變值:
其中σeng和εeng分別為實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的應(yīng)力應(yīng)變值。
1.3邊界條件和模型加載
試件的兩端承受簡(jiǎn)支邊界條件,如圖1所示。在試件的跨中施加豎向的面位移荷載。
圖1 邊界條件
1.4模型參數(shù)
本次研究的試件模型均由圓管截面組成,圓管截面外徑d0為100mm和150mm,厚度t0從2.5mm變化到5.5mm,試件長(zhǎng)度為1500mm、2000mm和2500mm。
通過對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的觀察,獲得了鋁合金圓管受彎構(gòu)件的破壞模式,見表1,其中L代表局部屈曲,G代表整體屈曲。表1同時(shí)也列出來了模擬得出的試件的極限荷載。
本文參考香港大學(xué)Zhu和Young提出的關(guān)于方形鋁合金管純彎構(gòu)件的抗彎承載力的直接強(qiáng)度法計(jì)算公式:
有限元結(jié)果表1
考慮到本文所研究的鋁合金圓管受彎構(gòu)件均發(fā)生整體屈曲或局部屈曲,因此這里只借鑒了其有關(guān)受彎構(gòu)件局部-整體相關(guān)屈曲承載力Mnl的計(jì)算公式,通過對(duì)其一些參數(shù)進(jìn)行修正,提出了關(guān)于鋁合金圓管不開孔三點(diǎn)受彎構(gòu)件的直接強(qiáng)度法建議計(jì)算公式:
式中:λl為Mne/Mcrl的開平方;Mne為不考慮局部屈曲影響的受彎構(gòu)件的整體屈曲承載力,等于φbWfy,W為毛截面模量,fy為材料的屈服強(qiáng)度,φb為受彎構(gòu)件的整體穩(wěn)定系數(shù);Mcrl為受彎構(gòu)件截面的彈性局部屈曲臨界彎矩,通過運(yùn)用有限元軟件ANSYS進(jìn)行特征值屈曲分析求得。采用公式(6),計(jì)算結(jié)果見表1,其中MFEA為有限元模擬結(jié)果。
本文對(duì)鋁合金圓管受彎構(gòu)件進(jìn)行了數(shù)值模擬,對(duì)所建立的有限元模型進(jìn)行了非線性求解。對(duì)于鋁合金圓管受彎構(gòu)件的有限元分析結(jié)果,將其與通過折減系數(shù)法得出鋁合金圓管受彎構(gòu)件直接強(qiáng)度法計(jì)算所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比結(jié)果表明,通過折減系數(shù)法得出鋁合金圓管受彎構(gòu)件直接強(qiáng)度法還是比較適用的。
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TU311.4
A
1007-7359(2016)03-0056-03
10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.03.019
姜陸彬(1990-),男,山東滕州人,合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院在讀碩士,研究方向:鋼結(jié)構(gòu)與組合結(jié)構(gòu)。