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​不锈钢管稳定承载能力分析的有限元模型
时间:2022-08-30 09:10:26        点击量:【 】次

近几十年来,各国学者(zhe)进(jin)行(xing)了最大(da)的(de)(de)研究尝试(shi)来解(jie)释轴向压(ya)缩(suo)不(bu)锈(xiu)钢管(guan)的(de)(de)实验值与理论解(jie)之间的(de)(de)巨大(da)差(cha)(cha)异,这主(zhu)要(yao)归(gui)因(yin)于以下(xia)四个因(yin)素:1)边界条件, 2) 屈曲(qu)前的(de)(de)变形,3) 几何缺陷,4) 载(zai)荷的(de)(de)偏(pian)心。最重要(yao)且被广泛接(jie)受的(de)(de)结论是,造成(cheng)差(cha)(cha)异的(de)(de)根本(ben)原因(yin)在于不(bu)锈(xiu)钢管(guan)的(de)(de)初(chu)始(shi)几何缺陷,即不(bu)锈(xiu)钢管(guan)的(de)(de)初(chu)始(shi)缺陷敏感性(xing)。

有(you)限元模(mo)(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)采(cai)用大型(xing)(xing)工程软件ANSYS10对试验中使(shi)用的(de)冷弯不(bu)锈钢管进行模(mo)(mo)(mo)(mo)拟。参考被测样品(pin)的(de)几何形状、初始局部缺(que)陷(xian)、一(yi)(yi)般缺(que)陷(xian)和材料特性(xing)(xing),通过(guo)模(mo)(mo)(mo)(mo)拟有(you)限元模(mo)(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)进行屈曲分(fen)析(xi)需要两个步骤。第(di)一(yi)(yi)步是特征(zheng)值分(fen)析(xi),它测量屈曲模(mo)(mo)(mo)(mo)式。这(zhei)是一(yi)(yi)个线(xian)弹性(xing)(xing)分(fen)析(xi)过(guo)程。在(zai)后面的(de)非(fei)线(xian)性(xing)(xing)分(fen)析(xi)中,第(di)一(yi)(yi)模(mo)(mo)(mo)(mo)态作为(wei)缺(que)陷(xian)的(de)初始状态;第(di)二(er)步称为(wei)充电一(yi)(yi)。非(fei)线(xian)性(xing)(xing)位移分(fen)析(xi)综合考虑几何缺(que)陷(xian)、材料非(fei)线(xian)性(xing)(xing)等因素,可(ke)以得到(dao)不(bu)锈钢管失(shi)效时(shi)的(de)极限载荷、失(shi)效模(mo)(mo)(mo)(mo)式和轴(zhou)向(xiang)压缩。

如上所述,当薄壁钢(gang)管没有(you)端部限制时,直(zhi)接在端部加载时很容易产生最终效果。因此(ci),在实际工(gong)程(cheng)中,一(yi)个承重(zhong)板(ban)(如法兰),这种承重(zhong)板(ban)比不锈(xiu)钢(gang)管要坚(jian)固和坚(jian)固得多,不锈(xiu)钢(gang)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(chu)始缺(que)(que)(que)(que)陷(xian)(xian)模拟(ni)试验表明,根(gen)据(ju)柱截(jie)面长度和(he)(he)(he)尺(chi)寸的(de)(de)(de)(de)(de)不(bu)同(tong)(tong)(tong),较(jiao)大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)(de)径厚(hou)关系更(geng)容(rong)易引起局(ju)部(bu)(bu)(bu)(bu)屈(qu)曲(qu)(qu)(qu)或局(ju)部(bu)(bu)(bu)(bu)屈(qu)曲(qu)(qu)(qu)与一般屈(qu)曲(qu)(qu)(qu)的(de)(de)(de)(de)(de)积(ji)分(fen)响应(ying),而较(jiao)小的(de)(de)(de)(de)(de)直径-厚(hou)度比(bi)更(geng)容(rong)易导致性(xing)能(neng)故障(zhang)和(he)(he)(he)整(zheng)体(ti)屈(qu)曲(qu)(qu)(qu)。所有被测(ce)不(bu)锈钢(gang)(gang)管(guan)(guan)均存在局(ju)部(bu)(bu)(bu)(bu)几何缺(que)(que)(que)(que)陷(xian)(xian)和(he)(he)(he)一般缺(que)(que)(que)(que)陷(xian)(xian),因此根(gen)据(ju)实测(ce)值,计(ji)算模型(xing)中还考虑了初(chu)始局(ju)部(bu)(bu)(bu)(bu)缺(que)(que)(que)(que)陷(xian)(xian)和(he)(he)(he)一般缺(que)(que)(que)(que)陷(xian)(xian)。这(zhei)些不(bu)同(tong)(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)屈(qu)曲(qu)(qu)(qu)模式可以(yi)(yi)通过(guo)改变套管(guan)(guan)单元的(de)(de)(de)(de)(de)实常(chang)数来获得不(bu)同(tong)(tong)(tong)径厚(hou)关系的(de)(de)(de)(de)(de)不(bu)锈钢(gang)(gang)管(guan)(guan),并对(dui)这(zhei)些不(bu)同(tong)(tong)(tong)径厚(hou)关系的(de)(de)(de)(de)(de)不(bu)锈钢(gang)(gang)管(guan)(guan)进行特征值分(fen)析。由(you)(you)于不(bu)锈钢(gang)(gang)管(guan)(guan)对(dui)几何尺(chi)寸的(de)(de)(de)(de)(de)敏感性(xing),改变直径-厚(hou)度关系可以(yi)(yi)改变每根(gen)不(bu)锈钢(gang)(gang)管(guan)(guan)特征值在局(ju)部(bu)(bu)(bu)(bu)屈(qu)曲(qu)(qu)(qu)和(he)(he)(he)整(zheng)体(ti)屈(qu)曲(qu)(qu)(qu)之间的(de)(de)(de)(de)(de)一阶(jie)屈(qu)曲(qu)(qu)(qu)模态(tai)。在大(da)(da)应(ying)变的(de)(de)(de)(de)(de)非线(xian)性(xing)分(fen)析中,引入(ru)了一阶(jie)特征值模式。对(dui)于短(duan)柱(根(gen)据(ju)不(bu)同(tong)(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)径厚(hou)关系,短(duan)柱的(de)(de)(de)(de)(de)概(gai)念不(bu)同(tong)(tong)(tong)。一般来说,径厚(hou)比(bi)越(yue)大(da)(da),短(duan)柱的(de)(de)(de)(de)(de)绝对(dui)尺(chi)寸越(yue)大(da)(da)。长),只(zhi)引入(ru)局(ju)部(bu)(bu)(bu)(bu)缺(que)(que)(que)(que)陷(xian)(xian)。进入(ru)ANSYS程序特征值分(fen)析得到(dao)的(de)(de)(de)(de)(de)一阶(jie)屈(qu)曲(qu)(qu)(qu)状态(tai)后,由(you)(you)于体(ti)对(dui)缺(que)(que)(que)(que)陷(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)敏感性(xing),最终屈(qu)曲(qu)(qu)(qu)模式会受(shou)到(dao)测(ce)得的(de)(de)(de)(de)(de)初(chu)始局(ju)部(bu)(bu)(bu)(bu)缺(que)(que)(que)(que)陷(xian)(xian)值和(he)(he)(he)全(quan)局(ju)缺(que)(que)(que)(que)陷(xian)(xian)值的(de)(de)(de)(de)(de)影响.

本章(zhang)通过冷(leng)(leng)弯薄(bo)壁不(bu)锈钢(gang)管的有(you)限元(yuan)分析,得到了冷(leng)(leng)弯薄(bo)壁不(bu)锈钢(gang)管在轴(zhou)压作用下的极(ji)限载荷和破坏(huai)模(mo)式。与试(shi)验(yan)(yan)结果(guo)对比表明,模(mo)型(xing)极(ji)限荷载计(ji)算结果(guo)一致,等级很(hen)好,失效模(mo)式与试(shi)验(yan)(yan)一致,证明了模(mo)型(xing)的有(you)效性和可靠(kao)性。

分析结果初(chu)(chu)步(bu)表明,薄壁不(bu)锈钢(gang)管(guan)(guan)(guan)(guan)的(de)极限承载(zai)力(li)(li)受多种因素(su)影响(xiang),其中最(zui)重要(yao)的(de)影响(xiang)因素(su)包括:个(ge)初(chu)(chu)始缺陷、不(bu)锈钢(gang)管(guan)(guan)(guan)(guan)径厚(hou)关系和长细比。一般(ban)(ban)规律是(shi)在:长度相同的(de)情况下,随着(zhe)不(bu)锈钢(gang)管(guan)(guan)(guan)(guan)径厚(hou)比的(de)增(zeng)大,不(bu)锈钢(gang)管(guan)(guan)(guan)(guan)的(de)极限承载(zai)力(li)(li)呈(cheng)非线(xian)性(xing)增(zeng)加,屈曲方式逐渐由一般(ban)(ban)屈曲转变(bian)为局部(bu)屈曲正如预期的(de)那样(yang);对于(yu)一般(ban)(ban)的(de)屈曲,径厚(hou)比大的(de)不(bu)锈钢(gang)管(guan)(guan)(guan)(guan)需(xu)要(yao)更长的(de)长度;同样(yang)的(de)径厚(hou)比,越(yue)短(duan)(duan)的(de)不(bu)锈钢(gang)管(guan)(guan)(guan)(guan)承载(zai)能力(li)(li)越(yue)高(gao):不(bu)锈钢(gang)管(guan)(guan)(guan)(guan)越(yue)短(duan)(duan),越(yue)容易局部(bu)卡扣,这(zhei)也是(shi)局部(bu)事(shi)实。短(duan)(duan)柱(zhu)小于(yu)长柱(zhu);此外,增(zeng)加初(chu)(chu)始缺陷会导致最(zui)终(zhong)负载(zai)能力(li)(li)急剧下降。

从应(ying)力云图和(he)随时间步长的(de)(de)(de)响应(ying)曲线可以看出,除了压缩破(po)坏(huai)的(de)(de)(de)材料蠕变形(xing)(xing)式外(wai),其他(ta)破(po)坏(huai)形(xing)(xing)式的(de)(de)(de)最大应(ying)力都发生在结构的(de)(de)(de)最大挠度处,由(you)于材料的(de)(de)(de)非线性(xing),不锈钢(gang)管在变形(xing)(xing)过程中(zhong)基本上(shang)是塑(su)性(xing)的(de)(de)(de)。

通过有(you)限(xian)元(yuan)分析(xi)可以得出结论,采(cai)用(yong)有(you)限(xian)元(yuan)方(fang)(fang)法,根据实验(yan)给出的(de)(de)初始条(tiao)件和(he)材料特性对(dui)不锈(xiu)钢管进(jin)行有(you)限(xian)元(yuan)模(mo)拟分析(xi)。在此前提下,采(cai)用(yong)大型有(you)限(xian)元(yuan)软件对(dui)薄壁不锈(xiu)钢管件进(jin)行仿真Real试验(yan)结果可靠,基(ji)于有(you)限(xian)元(yuan)数值分析(xi)方(fang)(fang)法的(de)(de)数值试验(yan)不线性,是一种经(jing)济、方(fang)(fang)便、经(jing)济的(de)(de)方(fang)(fang)法。替代大量重复的(de)(de)不锈(xiu)钢管负荷试验(yan)时(shi)间法。


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