高强钢TRB高温下热流变特性

为了准确仿真高强钢板热冲压成形过程,获得高强钢高温下的材料本构关系模型,利用Gleeble3500热模拟试验机在不同温度和应变速率下对不同厚度的高强钢B1500HS钢板进行了单向拉伸试验,获得各种工艺条件下的应力-应变曲线,并基于变形抗力数学模型,引入板材厚度参数,通过最小二乘法进行数据拟合获得高强钢TRB高温下的材料本构关系.利用试验结果对本构关系模型进行的拟合验证表明,拟合程度较好,说明建立的材料本构关系能很好地描述高强钢TRB在高温下的应力-应变关系.     

高强度结构钢材单调荷载作用下的本构模型研究

钢材在单调荷载作用下的本构模型是进行结构分析的基础。为了更为准确地计算高强钢结构响应和分析构件的受力性能,为工程设计人员应用高强钢提供参考,该文在总结已有试验研究、开展大量拉伸试验的基础上,更新了高强钢多折线本构模型的参数,以Ramberg-Osgood模型为基础标定了适用于高强钢的非线性本构模型。通过和试验数据的对比,证明非线性本构模型能够很好地模拟高强钢在单调荷载作用下的应力-应变关系。为了兼顾准确性和效率,该文还提出了修正的多折线本构模型,在反映高强钢非线性的材料性能的同时本构模型也相对简单。     

新型耐火耐候钢材高温力学性能与本构模型研究

采用标准试验方法,对首钢集团生产的楼承板用SQ410FRW耐火耐候钢冷轧钢带进行稳态拉伸试验,以测定其典型高温力学性能指标,包括钢材高温弹性模量、规定塑性延伸强度、抗拉强度、断后伸长率和断面收缩率。通过非线性回归方法得出相应的高温折减系数表达式,包括弹性模量折减系数、规定塑性延伸强度折减系数和抗拉强度折减系数。根据试验应力-应变关系曲线,回归得出基于Ramberg-Osgood模型(R-O模型)的应力-应变本构模型,以用于后续有限元参数化建模过程中对结构构件的温度场分析和顺序热力耦合分析。试验结果表明：绝大多数拉伸试样均在平行段内或标距段内发生断裂,且断后伸长率随温度升高呈现总体增大趋势;高温弹性模量、高温规定塑性延伸强度和抗拉强度在600℃及以下时降低较少,均保持在常温名义值的60%以上,基本满足耐火钢的力学性能指标要求;基于R-O模型的应力-应变本构关系表达式的拟合优度均在90%以上,与试验应力-应变曲线吻合良好,故提出的本构模型可用于相关钢结构或组合结构构件的有限元抗火分析。     

考虑应变率效应的钢筋混凝土结构非线性地震灾变过程模拟

为研究应变率对钢筋混凝土结构非线性地震灾变过程的影响,采用钢筋、混凝土单轴动态本构关系及加卸载准则,基于纤维梁理论开发了ABAQUS显式动力分析材料子程序。通过对3层偏心钢筋混凝土框-剪结构振动台试验的数值模拟,验证了该程序用于钢筋混凝土结构非线性地震反应分析的准确性和有效性。通过在材料子程序中定义钢筋、混凝土材料失效破坏判别准则,实现了地震作用下考虑应变率效应的钢筋混凝土结构连续倒塌破坏全过程模拟。分别对振动台试验模型结构和钢筋混凝土框架结构的倒塌破坏模式进行了预测,初步探讨了应变率对钢筋混凝土结构地震反应与连续倒塌破坏过程的影响。结果表明:该程序能够准确模拟钢筋混凝土结构的非线性地震灾变过程,可用于考虑材料应变率效应的钢筋混凝土结构抗震设计与分析中。     

复杂循环路径下钢材弹塑性屈曲行为研究

复杂强震荷载作用下钢管混凝土柱中的钢管受压屈服后易发生局部屈曲,在杆系有限元模型中采用不考虑屈曲影响的钢材本构模型无法准确模拟钢结构构件的地震响应。为研究复杂循环荷载作用下钢材的屈曲行为,该文设计了强度等级分别为Q235和LYP160的30个钢材试件,并设计了多种复杂循环加载路径进行加载,获得了不同复杂循环荷载作用下钢材的弹塑性屈曲行为和应力-应变滞回关系。基于已有文献中的3种钢材循环本构模型:Légeron模型、GA模型和DM模型对试验结果进行对比分析和评价,结果表明:Légeron模型无法模拟钢材受压区服后的屈曲效应,GA模型中受压屈曲时的应力-应变规律与试验结果较为吻合,DM模型中受拉和受压卸载刚度与试验结果较为吻合。     

高温后高强Q690钢材循环加载试验及本构模型研究

钢材经历火灾高温和冷却后其材料力学性能会发生不同程度退化,已有研究主要关注过火后钢材的残余静力性能。为研究经历火灾高温且不同方式冷却后高强钢的残余静力和滞回性能,对于历经500 ℃~1000 ℃高温后高强Q690在自然冷却和浸水冷却后的钢材进行了单调拉伸试验以及4种不同加载制度下的循环加载试验。结果表明,当过火极限温度不高于600 ℃时,在自然冷却和浸水冷却模式下,高温后Q690钢材单调拉伸和循环荷载下强度发展基本与常温未处理钢材类似。未过火高强Q690钢在循环荷载下表现出应变强化和循环软化效应。过火温度高于600 ℃且自然冷却下,过火后Q690钢随过火温度提高,其初始屈服强度下降。在浸水冷却下,过火冷却后高强钢初始屈服强度提升。且在循环荷载作用下,高温过火后Q690钢均表现出更为显著的应变强化效应,以及在等应变幅循环下均由未过火状态时的循环软化逐步转化为高温过火后的循环硬化效应。根据试验结果拟合了过火后Q690钢的Chaboche循环本构模型参数,可用于火灾后Q690钢结构的残余抗震性能评估。     

混凝土框架结构火灾连续倒塌数值分析模型

连续倒塌是整体结构的力学行为,为了研究火灾作用下混凝土框架结构整体抗倒塌性能,建立了用于分析钢筋混凝土构件火灾反应的杆系纤维梁模型和板构件的分层壳模型。在构件层次,模型将各积分点的截面划分为若干纤维(层),纤维(层)被赋予不同的材料属性以考虑钢筋和混凝土的贡献,并通过平截面假定来定义构件变形和纤维(层)应变之间的协调关系;在材料层次,模型将温度-应力路径离散为若干加载步,然后在每个加载步内计算纤维(层)在温度和应力耦合作用下的各种应变分量。通过与一系列试验对比,说明了该模型在模拟混凝土梁、柱和楼板时的准确性和高效性。为了模拟整体结构倒塌过程中的不连续位移场,在模型中引入了构件破坏准则和单元生死技术,可以考虑构件破坏造成的内力重分布对整体结构力学响应的影响。最后,通过一个整体框架结构的火灾倒塌模拟,分析其连续倒塌过程和机理。     

20 A 钢热塑性变形的应力-应变本构模型研究

目的研究20A低碳钢在高温条件下的热变形行为及本构模型。方法采用Gleeble-1500型热模拟压缩试验,研究在不同变形温度及变形速率条件下,材料的真实应力-应变之间的关系。结果 20A钢属于对温度和应变速率都敏感的材料,其流变曲线呈现出周期性动态再结晶特征。结论通过对实验数据运用最小二乘法、多元线性回归方法及Arrhenius方程处理,得到了20A材料热变形本构模型为σ=8.8650ε0.1445ε·0.1283exp(3475.23/T),为20A钢塑性加工过程的控制及模拟提供了理论基础。     

316LN不锈钢高温拉伸颈缩区塑变行为

为准确测量颈缩发生后的应力-应变行为,本文综合物理实验、有限元模拟和MLR模型的方法确定颈缩区的塑变行为,建立316LN不锈钢高温本构模型.模型中,颈缩前的真应力-真应变呈幂函数关系,颈缩发生后,较低温度时应力随着应变的增加迅速下降,而当较高温度时应力随着应变的增加而缓慢下降,真应力-真应变呈非线性关系.基于MLR模型,修正了颈缩后不同温度、不同应变速率下的真应力-真应变曲线,并将有限元模拟的颈缩区长度与实测值相对比,相对偏差为4.73%.这说明修正后的应力-应变本构模型能够准确地描述316LN的高温塑性行为.     

高强钢-铝合金材料的流动应力模型研究及应用

目的 研究常温下无铆连接中高强钢与铝合金材料的应力-应变关系以及本构模型的预测效果.方法 通过拉伸试验初步研究材料性能,主要包括屈服强度、拉伸强度和伸长率等;然后采用4种流动应力模型描述塑性段,即本构模型,分别对两种材料的应力-应变关系进行表述.随后采用相关系数R值和平均绝对相对误差EAARE值评价4种模型预测应力的效果.结果 4种本构模型均能够较好地描述两种材料的应力-应变关系,高强钢与铝合金材料拟合后的R值高于0.99,EAARE值低于2％.结论 通过对比分析,Voce模型表述高强钢材料应力-应变关系的效果更好,Swift模型表述铝合金材料应力-应变关系的效果更好,并成功应用于无铆连接工艺中,且误差均低于5％.     

基于多尺度建模的钢管混凝土组合框架耐火性能数值模拟

钢管混凝土组合框架在局部火灾作用下可能会出现由于受火柱破坏而引发的结构连续性倒塌破坏。在合理选取钢材与混凝土的热-力本构模型的基础上,合理选取了组合框架中梁柱构件单元模型及其相互作用模型,基于ABAQUS软件用多尺度建模方法建立了局部火灾作用下三层三跨钢管混凝土平面组合框架的数值模型,对4种典型火灾工况下结构整体变形、内力分布、破坏机制等进行了分析研究,并在此基础上进行了不同火灾工况下组合框架的耐火极限计算。结果表明:框架中间层受火时,由于周围构件的约束作用明显而使得其耐火极限最大。     

火灾后型钢混凝土框架结构力学性能试验研究及分析

考虑受火时间、荷载比等参数的影响,对火灾后型钢混凝土框架结构的破坏形态、变形性能以及剩余承载力等火灾后性能进行了试验研究。试验结果表明:火灾后型钢混凝土框架梁出现3个塑性铰而破坏,梁端弯剪变形明显,剪压区混凝土均出现部分脱落。随着受火时间的增加,型钢混凝土框架的剩余承载力逐渐减小。同时,建立了考虑升降温及火灾后全过程的火灾后型钢混凝土框架力学性能分析模型。计算结果与试验结果对比表明,二者吻合较好。可见,提出的模型是正确的。     

应变速率型RC梁柱显式分析单元及其在ABAQUS软件中的实现

为准确、高效地分析钢筋混凝土(RC)梁柱结构在强动载作用下的损伤破坏甚至倒塌,建立了能够描述大变形、大应变的空间纤维Timoshenko梁单元,并将其与考虑率相关效应的钢筋、混凝土材料模型相结合,通过用户显式单元子程序在ABAQUS中实现。基于所建立的应变速率型3D纤维梁显式单元,借助ABAQUS的前后处理及求解功能,对爆炸荷载作用下的RC梁柱构件的动态响应和破坏模式及RC框架结构的连续性倒塌进行分析。结果表明:建立的应变速率型3D纤维梁柱单元能够合理描述RC构件的变形特性及钢筋、混凝土的应变速率效应;可以模拟爆炸作用下RC构件的弯曲、弯剪及直剪破坏模式,以及RC框架的连续倒塌过程;将纤维梁柱单元与率相关模型相结合于ABAQUS软件提供了一种强动载作用下高效、精确的RC结构非线性分析方法。     

基于纤维模型的钢管混凝土组合框架连续倒塌非线性动力分析

基于非线性纤维梁-柱单元理论建立了钢管混凝土空间框架有限元模型,分析其在非正常荷载作用下(火灾、爆炸、撞击等)的抗连续性倒塌性能。以ABAQUS软件为求解平台进行了钢材和混凝土材料模型的二次开发,并采用已有研究者的试验结果进行了模型验证,在此基础上采用抽柱法进行了一典型的12层钢管混凝土空间框架体系在不同初始损伤模型下的连续性倒塌非线性动力分析。分析结果表明,不同抽柱工况下,框架梁柱内力由于失效柱破坏将发生内力重分布,相邻构件弯矩和轴力变化较大,其卸载后传力路径遵循就近原则;底层中柱失效后,其上部节点竖向位移最大,底层角柱失效后,上部节点竖向位移最小。总体上钢管混凝土空间框架在竖向荷载作用下具有较好的抗连续倒塌性能。     

足尺钢框架结构中楼板火灾行为数值分析

为研究受火跨位置和数量对结构中混凝土楼板火灾行为影响,基于Vulcan软件,采用厚板单元和梁柱杆单元,结合EC2材料高温本构模型,对钢框架结构中受火顶层楼板(角区格和中区格)和第二层楼板(四区格)的温度和变形进行数值模拟,分析了混凝土膨胀应变对火灾下结构中楼板受火区格变形的影响规律,考察了受火板格薄膜机理、裂缝分布和钢梁内力发展规律。结果表明:楼板温度和变形计算结果与试验结果总体吻合较好,且混凝土膨胀应变对结构中受火区格跨中变形有决定性影响,即膨胀应变取值较大时,计算变形较大;边界条件对受火板格薄膜机理和裂缝分布有决定性影响,且受火板格可分为环型、对边U型和对角U型三种薄膜机理;受火板格附近钢梁弯矩和轴力逐渐增加,且钢梁轴力增加幅度相对较大。     

空调塑料材料的碰撞失效模拟研究

研究空调内机塑料材料ABS-121H在跌落工况下的力学行为。通过准静态、动态拉伸力学实验和失效实验,分别建立了不同应变率下材料弹塑性模型及LS-DYNA软件的GISSMO失效模型,并通过整机零部件实验及仿真对材料弹塑性模型和失效模型准确性进行验证。结果表明:考虑应变率效应的材料弹塑性模型可以准确反映结构的加速度和刚度,GISSMO失效模型可以准确预测材料复杂应力状态下的断裂失效行为。该研究为空调跌落仿真的材料模型建立提供参考。     

预应力钢绞线温度膨胀及高温蠕变性能试验研究

火灾高温下钢绞线的温度膨胀及高温蠕变性能是影响张拉钢结构抗火能力的重要因素。该文以1860级预应力钢绞线为研究对象,采用非接触式应变视频测量系统,测试了钢绞线在15个温度水平下的热膨胀应变,得到热膨胀应变随温度的变化规律,并拟合出热膨胀系数计算公式。研究发现,大约750℃时钢绞线材料发生相变,导致热膨胀应变突变。通过钢绞线在不同温度及应力水平下的高温蠕变试验,得到蠕变应变与时间的关系曲线,并建议了钢绞线高温蠕变计算公式。高温蠕变试验现象表明,在较高温度及应力水平时,蠕变会导致钢绞线断裂;对经2 h高温蠕变未断裂的钢绞线自然冷却到常温后,进行抗拉强度试验,发现其抗拉强度有一定程度的退化,且经历的蠕变温度越高,应力水平对高温蠕变后试件抗拉强度的退化影响越明显。     

基于能量的局部火灾引起钢结构连续倒塌简化分析方法

为研究局部火灾引起多高层钢结构倒塌的破坏机理以及多高层钢结构在火灾下的抗倒塌性能,基于结构初始倒塌破坏机制,建立了单柱受火的火灾引起多高层钢结构倒塌分析的单自由度简化分析模型,模型将受火柱上部结构简化为三折线弹塑性弹簧模型,将受火柱简化为集中塑性铰模型,并推导了基于能量的结构反应计算公式,建立了能量的计算方法。最后通过整体结构的数值对比分析,验证了此方法用于火灾引起钢结构连续倒塌分析与计算的合理性与可行性。     

不同设防水平钢框架结构抗地震倒塌性能研究

钢框架结构虽具有抗震性能优异的显著优点,但在强震作用下仍会不可避免的发生倒塌破坏,带来巨大的经济损失和人员伤亡。为保证钢框架结构的地震安全性,该文介绍了基于集中塑性铰模型的钢框架结构数值建模方法,进而基于增量动力分析(IDA)方法,开展了5个不同设防水平五层三跨钢框架结构的抗倒塌性能分析。结果表明:集中塑性铰模型可准确模拟钢框架结构的地震灾变过程,并能显著提升计算效率;相同平立面布局下,随着抗震设防水平提高,钢框架结构的倒塌变形能力限值不断增大,以相同层间位移限值评估相同平立面布局不同设防水平钢框架结构的抗倒塌能力并不合理;按我国现行规范设计的不同设防水平钢框架结构的抗倒塌能力满足“大震不倒”的抗震设防要求,但其抗倒塌储备系数随设防水平提高不断降低。     

钢框架整体结构的抗火极限安全分析

基于塑性极限上限分析,利用基本破坏机构迭加的方法,通过求解非线性规划问题对石油化工装置的钢框架结构进行了抗火极限分析研究。钢框架结构不仅包含了普通的平面框架结构,还有复杂的空间框架结构。并使用FORTRAN语言编制了钢框架的计算程序。与试验结果的对比和典型算例表明该方法简单有效,可以为钢框架整体结构抗火设计提供理论依据和计算方法。