Constitutive model of Q345 steel at different intermediate strain rates

Structural elements of steel frame experience very high strain rates in the progressive collapse, and hence their constitutive properties do not remain constant but change significantly with time. Quasi-static and dynamic tensile tests of Q345 steel were performed to study the dynamic tensile behavior within the range of 0.001 to 330/s strain rates by INSTRON and Zwick/Roell HTM5020 testing machine. A three dimensional finite element model is developed using LS-DYNA to extrapolate the true stress-strain relationship after necking of Q345 steel. The hardening behavior of Q345 steel after the onset of necking is predicted with the Ludwik constitutive equation at quasi-static strain rates and with the Voce constitutive equation at higher strain rates, in which the strain hardening parameters are obtained by trial and error until the numerical results agree well with the experimental results. The linear combination of Hollomon and Voce (H/V-R) model is proved to be capable of predicting the transition of hardening rate with the increasing strain rate for Q345 steel although there is a little deviation between the experimental and fitting results. In this study, an empirical constitutive model is developed by introducing the Wagoner rate law into the H/V-R model to improve its precision in predicting the dynamic behavior of Q345 steel.     

循环荷载作用下结构钢材本构关系试验研究

为准确模拟结构的地震响应,寻找在循环荷载下钢材的本构关系,采用工程常用Q235B及Q345B钢材共50个试件,施加多种加载制度,分析其单调性能、滞回性能、宏观微观破坏形态、延性特征以及损伤退化特性,并采用Ramberg-Osgood模型对循环加载骨架曲线进行拟合,进而得到Q235B及Q345B钢材在循环荷载下的一维应力应变关系骨架曲线;在Chaboche钢材塑性本构模型的基础上,通过试验标定,确定了两种等级钢材本构模型的关键材料参数,并结合通用有限元程序ABAQUS对试验结果进行有效模拟,为今后准确计算结构在地震荷载下的反应提供重要依据.结果表明:钢材在循环荷载下的反应与在单调荷载下的本构关系有很大差别,循环荷载下的骨架曲线对于准确的数值模拟起到重要作用;循环的圈数以及幅值会严重影响构件的断裂延性,钢材在循环荷载下的破坏应变不能按照单调荷载来确定.     

Q345与Q460结构钢材单调和循环加载性能比较

因循环硬化、软化和包辛格效应等的影响,钢材在循环加载下的力学性能与单调加载下的力学性能会有很大差异。借助于对Q345和Q460两种强度等级钢材的单调和循环加载试验,分别从单调加载性能、循环加载现象、循环加载力学性能以及循环本构模拟等几个方面分析它们力学性能差异。分析结果表明,两种钢材单调加载下的延性都比较好,且Q460钢材的延性要优于Q345的。两种钢材循环加载时应力-应变曲线具有循环硬化、循环软化和包辛格效应等现象;循环作用使得两种钢材的硬化作用提前,Q345钢材的循环硬化现象更明显;Q460钢材循环荷载下的滞回耗能能力并不比Q345钢材差,同时循环荷载下钢材产生累积损伤。混合强化模型能较好地模拟两种钢材的循环拉压曲线,为进一步研究此类钢材结构抗震性能提供较为准确的本构模型。     

不同复合比下不锈钢复合钢材循环本构模型研究#br#

为研究不同复合比下不锈钢复合钢材在地震循环往复荷载作用下的力学特性,开展23个3+3mm厚316L+Q235B不锈钢复合钢材试件的单调拉、压和15种不同循环加载制度下的试验。根据试验结果,分析该类复合钢材的单调性能、滞回性能以及宏观和微观破坏形态;基于Ramberg-Osgood三参数模型拟合循环骨架曲线,并讨论其与单调荷载下的力学性能区别;基于Chaboche模型标定该不锈钢复合钢材的本构模型参数,并采用数值模型对其他循环加载制度下的力学响应进行模拟;最后与3+5mm厚316L+Q235B不锈钢复合钢材在循环骨架曲线、循环本构关系及滞回曲线方面进行对比,分析复合比的影响。试验结果与分析表明：该种复合比的不锈钢复合钢材在循环荷载下仍表现出明显的循环强化作用和混合强化（等向强化和随动强化）特征;滞回曲线饱满;随着循环周次的增加,卸载刚度和再加载曲线的初始刚度出现明显退化;Ramberg-Osgood模型可以较好地对其循环骨架曲线进行拟合;文章提出的循环本构模型能够准确模拟该复合比不锈钢复合钢材循环往复荷载作用下的力学响应;该复合钢材与3+5mm厚316L+Q235B不锈钢复合钢材在循环荷载下的具体力学指标存在明显区别。研究成果为提出双金属复合钢材的统一循环本构模型提供重要基础。     

循环荷载作用下钢材的试验及本构模型研究

为了研究钢材的超低周疲劳性能及循环荷载作用下的本构关系,对50组Q235-B和Q345-B钢材进行超低周疲劳试验。研究了Q235-B和Q345-B钢材的力学性能,如:单调加载性能、滞回性能及滞回准则。通过对钢材全过程滞回性能的研究,建立了循环荷载作用下钢材的简化单轴本构模型。基于有限元软件ABAQUS的用户子程序接口UMAT,用户可自定义钢材的单轴本构属性。通过引入纤维梁单元,可利用单轴本构模型进行结构分析。通过对比各种荷载作用下Q235-B和Q345-B钢材的试验数据,验证了本模型的正确性,利用本模型可进行钢框架的非线性时程分析。试验和数值分析结果均表明:Q235-B和Q345-B钢材在循环荷载和单调荷载作用下的性能有很大不同,钢材屈服后,循环荷载作用下的骨架曲线比单调荷载作用下更高;循环次数和振幅大小对材料韧性的影响很大。当受循环荷载作用时,钢材提前发生颈缩和断裂,这表明累积损伤降低了钢材的韧性。     

Experimental study on the constitutive relation of austenitic stainless steel S31608 under monotonic and cyclic loading

In order to study the constitutive relation of Chinese-made austenitic stainless steel S31608 (EN 1.4401, AISI 316) under monotonic and cyclic loading, different types of coupons were tested. Based on the Ramberg–Osgood model, modified by Gardner and Nethercot, parameters that described stress–strain relationship under monotonic loading were obtained. Comparison between data obtained using different types of coupons was made and the influences of welding and rolling directions were reviewed. Parameters of the hardening model of cyclic plasticity were calibrated from cyclic test data and the tests were simulated using ABAQUS finite element analysis software. The results show that stainless steel exhibits remarkable nonlinearity, and the stress–strain relationship may vary from different rolling directions. Under cyclic loading, with the increase of cyclic loops and change in strain amplitudes, stainless steel exhibits cyclic hardening behavior, and the simulated curves agree fairly well with the test curves. It is therefore recommended that the influences of welding and rolling directions on the stress–strain relationship should be taken into consideration and the constitutive relation under cyclic loading should be used if the component is subjected to cyclic loads.     

Constitutive behavior of low yield point steel LYP160

为了研究低屈服点钢材LYP160的本构行为并提出循环本构模型,进行了此种钢材的循环加载试验,研究其受力性能,包括单调受力性能、滞回性能、破坏模态及耗能能力等。利用Ramberg-Osgood模型,得到材料骨架曲线。采用Chaboche模型,确定了循环本构模型的关键参数,利用此模型预测低屈服点钢板剪力墙结构的滞回行为。结果表明：低屈服点钢材LYP160虽然初始屈服点低,但其抗震性能较好,延性约为普通钢材及高强度钢材的2.3~2.8倍;能量耗散系数在3.6左右,耗能能力明显高于普通钢材和高强度钢材,提高幅度约30%,LYP160钢材具有显著的单调及循环强化性能,具有较高的承载能力,其滞回特性包含了各向同性强化与随动强化两种特征,其中各向同性强化行为具有控制作用,这与普通钢材及高强度钢材有明显的区别。     

基于非线性运动硬化模型的饱和黏土桩基础竖向循环弱化数值分析

针对饱和黏土的循环弱化特性,在商用有限元软件的基础上,建立了基于非线性运动硬化准则的饱和黏土循环弱化模型,在各向同性的硬化准则中引入了以等效塑性变形为变量的弱化规律,采用非线性运动硬化准则描述土体的循环滞回特性,同时考虑土体刚度的弱化。通过与饱和黏土单向循环三轴试验结果对比,验证了该模型的有效性。应用本模型,对竖向循环荷载作用下的单桩进行了二维有限元数值模拟,研究了不同循环荷载水平、不同循环次数、在不同土体刚度指数的地基中单桩竖向承载力的弱化情况。最后通过对有关文献模型试验的模拟对比验证了该数值方法的有效性。     

AQ315钢材单调与循环加载试验研究

对新型抗震结构用钢AQ315进行单调拉伸和循环加载试验研究,分析其各项力学性能及相应破坏形态,并利用Ramberg-Osgood模型对循环荷载下的骨架曲线进行拟合。根据试验数据标定基于Chaboche模型的混合强化参数,通过有限元软件ABAQUS对循环加载试验进行数值模拟。结果表明：AQ315钢材屈服强度平均值为290MPa,抗拉强度平均值为450MPa,断后伸长率平均值高达35.6%;循环荷载作用下,AQ315钢材表现出明显的循环强化特征;Ramberg-Osgood模型能较准确地拟合出AQ315钢材在循环荷载下的骨架曲线;利用标定的强化参数模拟出的结果和试验曲线吻合程度较好。     

强度弱化导向的超高温热处理后Q345B钢材性能研究及其在防屈曲支撑中的应用

为研究超高温热处理技术对我国常用Q345B热轧钢材强度的影响规律,以及在减震设计中的应用,完成7个不同参数的超高温热处理及缓慢冷却后的钢材单向拉伸材性试验,研究了热处理极限温度以及冷却速率对于钢材强度及延性的影响。通过3个热处理前后钢材的循环荷载材性试验,得到钢材在循环荷载作用下强度和塑性发展规律,并拟合得到可应用于有限元分析的Chaboche循环本构模型。通过有限元分析了两种局部低强防屈曲支撑,以探讨该种超高温热处理技术在减震设计中的适用性。结果表明：Q345钢材在热处理后强度降低,其强度削弱程度随着热处理极限温度的升高和降温速率的减缓而增加;热处理后的钢材在循环荷载作用下屈服点及屈服平台消失,循环强化现象明显;所设计的2种局部低强防屈曲支撑在循环荷载作用下塑性发展主要发生在热处理段,且具有良好的耗能能力。     

循环荷载作用下高强铝合金本构关系试验研究

为研究高强铝合金结构在地震作用下的响应、建立循环荷载作用下高强铝合金的本构关系,对17个7A04高强铝合金试件进行了单调拉伸和多种循环加载制度下的试验。分析了材料的单调性能、滞回性能、宏观破坏形态与电镜下的微观破坏形态。采用Ramberg-Osgood模型拟合了材料的循环骨架曲线,并与单调拉伸曲线做出了对比。试验结果表明：7A04高强铝合金延性较差,破坏突然、断面与拉应力方向成45度|循环荷载下表现出典型的循环硬化现象,在压应变达到1%后,其刚度和强度发生退化|材料在滞回中表现出了混合强化的特征,既包含各项同性强化又包含了随动强化。该高强铝合金在循环荷载作用下的本构关系与单调荷载作用下的本构关系存在较大区别,不能将单调荷载下的本构关系用于循环本构关系中。本文为准确计算高强铝合金结构在地震作用下的响应提供了重要基础与依据。     

Q345冷成型钢高温力学性能试验制度参数的影响研究

钢材的火灾全过程高温本构是开展冷成型钢结构抗火研究的重要输入数据。为此,开展国内常用Q345冷成型钢高温力学性能试验研究,定量考察峰值温度保温时间、降温速率、温度历程以及稳态与瞬态试验方法等试验制度参数对其力学性能的影响,结果表明： 高温稳态试验中,峰值温度保温时间和降温速率对钢材高温力学性能影响不明显,相对百分偏差均介于-10%~10%之间;若温度历程中各次升温过程峰值温度中的最高温度和拉伸温度均相同,则钢材在多次升降温过程下的高温力学性能与其在一次升降温过程降温段的高温材性相互接近; 高温瞬态试验中,温度历程对钢材高温试验应变影响显著;相同拉伸温度下,升温与降温段的应变相对偏差最高可达12904%; 稳态与瞬态试验方法对考虑温度历程的冷成型钢高温应变影响亦非常明显,试验参数范围内,相同拉伸温度下应变相对百分偏差最大可达14851%。总之,Q345冷成型钢的火灾全过程高温本构需考虑温度历程中各次升温过程峰值温度中的最高温度和拉伸温度的影响,且稳态与瞬态试验方法所构建的高温本构模型并不等效。     

Influence of test procedure parameters on high-temperature material properties of Q345 cold-formed steel

钢材的火灾全过程高温本构是开展冷成型钢结构抗火研究的重要输入数据。为此，开展国内常用Q345冷成型钢高温力学性能试验研究，定量考察峰值温度保温时间、降温速率、温度历程以及稳态与瞬态试验方法等试验制度参数对其力学性能的影响，结果表明： 高温稳态试验中，峰值温度保温时间和降温速率对钢材高温力学性能影响不明显，相对百分偏差均介于-10%~10%之间；若温度历程中各次升温过程峰值温度中的最高温度和拉伸温度均相同，则钢材在多次升降温过程下的高温力学性能与其在一次升降温过程降温段的高温材性相互接近； 高温瞬态试验中，温度历程对钢材高温试验应变影响显著；相同拉伸温度下，升温与降温段的应变相对偏差最高可达12904%； 稳态与瞬态试验方法对考虑温度历程的冷成型钢高温应变影响亦非常明显，试验参数范围内，相同拉伸温度下应变相对百分偏差最大可达14851%。总之，Q345冷成型钢的火灾全过程高温本构需考虑温度历程中各次升温过程峰值温度中的最高温度和拉伸温度的影响，且稳态与瞬态试验方法所构建的高温本构模型并不等效。     

Extremely low cycle fatigue tests on structural carbon steel and stainless steel

Cyclic material tests in the low and extremely low cycle fatigue regime were carried out to study the properties of structural carbon steel and stainless steel. A total of 62 experiments were performed in cyclic axial and bending configurations, with strain amplitudes up to ±15%. Materials from hot-rolled carbon steel (S355J2H), cold-formed carbon steel (S235JRH) and cold-formed austenitic stainless steel (EN 1.4301 and EN 1.4307) structural sections were tested and the results were compared. The strain–life data from the axial tests were used to derive suitable Coffin–Manson parameters for the three materials; two further extremely low cycle fatigue life prediction models were also considered. The results revealed that the three materials exhibit similar strain–life relationships despite significantly different elongations at fracture measured in monotonic tensile tests. The hysteretic responses of the materials at different strain amplitudes were used to calibrate a combined isotropic/kinematic cyclic material hardening model which can be incorporated into numerical models of structural members. The stainless steel specimens displayed significantly greater levels of cyclic hardening than the corresponding carbon steel samples. A relationship between the results obtained from axial and bending test arrangements was established through consideration of energy dissipation, enabling strain–life models to be derived from either means of testing.     

上海结构性软黏土本构模型与试验验证

天然上海软黏土具有很强的结构性,传统的剑桥模型无法合理地对其进行描述,改进后的运动硬化结构模型不仅引入了描述土体结构性的状态变量,可以反映土体塑性应变发展过程中所产生的结构损伤对其力学行为的影响,还对原始运动硬化结构模型中的形状参数、塑性模量公式等进行了改进,能更好地描述上海软黏土的力学行为。基于改进之后的运动硬化结构模型,通过天然上海软黏土等压固结三轴不排水剪切试验对该模型进行参数标定,进而对偏压固结三轴不排水剪切试验与加-卸载等向压缩试验进行预测。结果表明:改进后的运动硬化结构模型可以更好地模拟上海软黏土在三轴试验中的结构损伤、应力路径以及应力应变关系,同时对加-卸载过程中土体的滞回特性也有较好的模拟效果。     

Q460GJ钢轴压构件可靠度分析

建筑结构用钢板是我国研发的高性能钢材,其综合性能优于同等级低合金高强度结构钢,并已在众多大型工程项目中得到应用,Q460GJ钢轴压构件计算模式不确定性统计参数和设计指标亟待研究。基于8个焊接箱形截面和14个焊接H形截面轴压构件的整体稳定承载力试验结果,获得了Q460GJ钢轴压构件计算模式不确定性统计参数。结合已有的Q460GJ钢材料性能不确定性和几何特征不确定性研究成果,通过进一步统计分析,获得了两种截面Q460GJ钢轴压构件的抗力不确定性统计参数。采用可靠度方法提出Q460GJ钢轴压构件抗力分项系数,并分析了其变化规律。考虑现行规范关于抗力分项系数取值的延续性,建议沿用Q345GJ钢的抗力分项系数1.059作为Q460GJ钢轴压构件抗力分项系数,对应的设计强度指标取435 MPa。最后对建议抗力分项系数进行了可靠性校核,结果表明该抗力分项系数满足可靠性要求。     

Q460高强钢单调与反复加载性能试验研究

通过对Q460高强钢进行单向拉伸与反复加载下材料性能试验，得到了各试件单调拉伸和反复加载下的应力-应变关系曲线，以及反复加载下的骨架曲线，并将试验结果与文献研究结果进行了对比。试验结果表明：单向拉伸材性试验中，11 mm厚Q460C高强钢板的平均断后伸长率为23.7%，屈强比为0.847； 21 mm厚钢板的平均断后伸长率为30.4%，屈强比为0.792；Q460钢的循环硬化程度比Q345钢明显减弱，主要原因是随着钢材强度的提高，钢材的屈强比增大，钢材的应变强化效应减小。根据钢材反复加载的滞回曲线，提出了Q460高强钢材的应力 应变滞回模型，用该模型计算得到的关系曲线与试验曲线对比，两者吻合较好。     

循环荷载作用下锈蚀钢材滞回性能与本构模型

为研究循环荷载作用下锈蚀钢材的滞回性能,采用人工加速腐蚀及自然暴露腐蚀的方法获取了17组锈蚀试件,并对其开展单调拉伸及循环加载试验,分析了单调拉伸曲线、滞回曲线和骨架曲线等的差异性,得到了锈蚀钢材单调拉伸与滞回性能退化规律,基于混合强化模型提出了材料参数随腐蚀程度、等效塑性应变的退化表达式,进而建立了锈蚀钢材塑性本构模型。研究结果表明：单调拉伸作用下,锈蚀导致钢材屈服平台缩短、抗拉强度和断裂伸长率降低;锈蚀钢材单调曲线和滞回曲线存在显著差别,锈蚀加剧钢材循环强化,循环损伤累积则进一步加剧锈蚀钢材延性退化,造成峰值点应变、断裂应变和滞回耗能大幅降低,但对抗拉强度的影响较小。通过锈蚀钢材塑性本构模型应力 应变模拟曲线与试验曲线的对比,验证了所提模型的可靠性。     

Q460C高强度钢材焊缝连接循环加载试验研究

为研究高强度钢材Q460C焊缝连接在地震作用下的反应,对11个Q460C焊缝连接试件进行了8种不同加载制度的单调和循环加载试验,分析比较了不同加载制度下的应力-应变关系,研究其本构模型、力学性能、破坏模式、变形和延性特征以及损伤退化特性,并和母材的性能进行了对比。利用Ramberg-Osgood公式对其循环骨架曲线进行了拟合,确定了拟合计算式中的待定参数;通过试验标定了循环荷载作用下本构模型的参数,采用有限元程序ABAQUS利用混合模型对上述循环加载试验进行了较为准确的有限元模拟。研究结果表明：所有加载制度下试件最终均在焊缝和热影响区交界面拉断,这和焊缝连接处的应力集中有关;与母材单调拉伸性质相比,焊缝连接试件延性下降显著,说明焊接过程对钢材有严重影响,应采取措施避免破坏发生在焊缝区域。     

轴向循环荷载作用下有矩形缺陷钢管的应变棘轮:数值模型

轴向循环荷载作用下,钢管易产生局部屈曲、起皱及塑性应变。由于反复的开启/关闭和温度变化,海底管道处于加载和卸载循环中。在工作中,由于受腐蚀,壁厚变薄,钢管通常发生材料损伤。建立数值模型,模拟循环荷载作用下有矩形缺陷钢管的棘轮性能。钢管首先受单轴轴向压缩,小幅起皱,随后施加持续轴向循环荷载。采用非线性各向同性/随动(混合)硬化模型,模型各参数通过小型试件的滞回试验获得。钢管棘轮性能的数值结果与试验数据基本吻合。相比于动力性能,表面缺陷对有缺陷钢管的棘轮性能影响更大。基于本模型,还可研究初始应变、应力振幅、加载制度、壁厚和材料硬化属性等因素对有矩形缺陷钢管的棘轮性能和连续塑性屈曲性能的影响。