奥氏体不锈钢管滞回本构模型研究

准确的材料滞回本构模型是保证弹塑性地震反应预测准确性的基本前提,如果本构模型选取不当,会对计算结果产生较大影响。为此该文提出了奥氏体不锈钢管考虑循环强化作用的单轴滞回本构模型,包括骨架准则及滞回准则。建立数学模型描述奥氏体不锈钢管在循环荷载作用下的受力性能。根据提出的理论模型并利用ABAQUS用户材料子程序UMAT,采用Fortran语言二次开发了能够进行循环荷载下奥氏体不锈钢管计算分析的程序。通过与试验结果进行对比,表明提出的模型能够准确描述奥氏体不锈钢管的滞回行为,兼顾计算精度和效率,为奥氏体不锈钢管结构体系强震分析提供有力工具。

不锈钢管具有良好的耐腐蚀性、耐久性、较高的延性、优良的抗火性能以及冲击韧性,并兼具美观环保等特点,是一种高性能钢材,能够很好地适应严苛的外部环境,因此,越来越被广泛应用于建筑及桥梁结构中。基于目前强烈地震频发的现状,结构的抗震性能是研究的热点。在强震作用下,结构主要依靠材料自身的弹塑性滞回行为来抵御外荷载,表现为超低周疲劳特征,为此,一些学者进行了不锈钢管弹塑性疲劳试验研究,探讨不锈钢管材的循环受力特征。

由于结构在强烈地震作用下的动力响应过程十分复杂,考察结构在罕遇地震作用下的真实状态时,常用的方法包括振动台动力试验或弹塑性动力时程分析。由于振动台试验费用高且加载工况有限,因此目前多采用弹塑性时程模拟方法来预测结构在强烈地震作用下的动力响应。在数值模拟中,准确的材料滞回本构模型是保证弹塑性地震反应预测准确性的基本前提,如图1所示,如果本构模型选取不当,会对计算结果产生较大影响。

普通钢材已经具有较成熟的滞回本构模型,但不锈钢管的本构模型与普通钢材有明显的不同。普通钢材的材料单调加载曲线具有明显的屈服点和屈服平台,而不锈钢管则表现出强烈的非线性特征,如图2(a)和图2(b)所示。此外,不锈钢管的循环强化特征以及再加载软化行为也与普通钢材有较大区别,如图2(c)和图2(d)所示。不锈钢管性能的特殊性必然会导致整体结构的滞回行为与普通钢结构有明显不同,因此,需要根据不锈钢管的受力特征,提出适用于此种材料的准确滞回本构模型。

目前国内外学者提出的本构模型多是基于Ramberg-Osgood模型或其改进形式,为单调加载曲线,很少给出不锈钢管在循环荷载作用下的滞回本构模型。文献表明不锈钢管在单调荷载作用下的受力性能与循环荷载下有较大区别。据此,本文提出了奥氏体不锈钢管的单轴滞回本构模型,包括骨架准则及滞回准则,针对奥氏体不锈钢管在弹塑性循环荷载作用下的受力特征建立数学模型。根据提出的模型并利用ABAQUS软件平台,采用Fortran语言二次开发了能够进行循环荷载下奥氏体不锈钢管计算分析的程序。通过与试验曲线进行对比分析,验证本文提出模型的准确性及实用性,从而确保其用于不锈钢管结构体系弹塑性时程分析的可靠性,为奥氏体不锈钢管结构体系强震分析提供有力工具。

1滞回本构模型描述

1.1滞回本构模型基本要求

奥氏体不锈钢管的单调加载曲线没有明显的屈服点,呈现较为光滑的曲线形式,与普通钢材有较大区别。其循环加载峰值点的连线与单调加载曲线并不重合,不能利用单调加载曲线替代循环骨架曲线。奥氏体不锈钢管的滞回曲线受拉和受压基本对称,呈现各向同性强化和随动强化两者综合特征,为混合强化形式,具有明显的包兴格效应,再加载过程为显著非线性行为。根据奥氏体不锈钢管的循环加载受力特征,其滞回本构模型可分为两部分:骨架准则及滞回准则。

1.2模型骨架准则

奥氏体不锈钢管的骨架准则主要包含两个方面:单调加载准则和循环骨架准则,如图3所示。单调加载准则主要针对首次加载情况;循环骨架准则主要描述钢材的滞回峰值行为。

2滞回本构模型程序开发

为了满足奥氏体不锈钢管滞回本构模型的实用化需求,基于提出的数学模型及ABAQUS平台,采用Fortran语言二次开发了能够进行循环荷载作用下奥氏体不锈钢管结构分析的计算程序,能够应用于整体结构杆系模型计算分析之中。

ABAQUS能够提供用户子程序(user subroutine)接口,令用户能够自行定义符合自己需要的模型。本文采用其提供的用户材料子程序模块UMAT(User-defined Mechanical Material Behavior),利用Fortran语言进行编写,通过主程序和用户材料子程序之间的调用和反馈,实现数据之间的相互交换。

程序的实现流程如图10所示。首先在ABAQUS前处理中建立几何模型,并输入用户材料子程序所需的材料参数,然后增量步开始,前一步收敛应变、应变增量以及当前应力中的数值通过UMAT和主程序之间的接口传递到UMAT;积分点调用UMAT,根据上述数据和内部模型规则,求解雅可比矩阵DDSDDE(NTENS,NTENS)和应力张量STRESS(NTENS)。在增量步结束的时候,UMAT将对应力张量和雅可比矩阵更新,并返回主程序。截面上所有积分点的刚度矩阵积分得到单元刚度矩阵,进而形成结构总体刚度矩阵,根据总体平衡方程求解,如不收敛则改变应变增量,收敛则进入下一增量步。

3试验验证

本文采用文献一批进行循环加载的奥氏体不锈钢管试件与本文提出的滞回本构模型进行对比分析,选取其中全部循环加载试验进行模拟。试件的具体尺寸见图11(a)。试件的有效长度为20 mm,利用引伸计测量有效长度范围内的变形,引伸计量程在受拉方向为50%,受压方向为25%。试验过程中,力和位移等数据利用IMP数据采集系统进行实时采集与记录。加载装置为InstronModel1343拉压扭万能疲劳试验机,加载采用位移控制,循环加载制度如图11(b)所示。通过试验分析,考察奥氏体不锈钢管的循环加载性能及本构特征。

本文以ABAQUS 6.10的隐式分析模块ABAQUS/Standard为计算平台,采用软件中提供的B31单元进行建模计算。

从图12可以看出,本文提出的滞回本构模型计算曲线与试验循环加载曲线吻合良好,说明本文建议的模型能够描述奥氏体不锈钢管在循环荷载作用下的受力特征,较为准确地预测其在不同加载制度下的响应,进而能够确保模型在奥氏体不锈钢管结构体系弹塑性时程分析时的精度。

4结论

(1)奥氏体不锈钢管在循环荷载作用下的行为与单调荷载下有明显的不同,循环荷载下的峰值骨架曲线对于准确预测其滞回行为起到关键作用;奥氏体不锈钢管在循环荷载下的滞回准则也与常用的两折线随动强化本构模型有较大区别,这会影响整体结构抗震计算的准确性。

(2)本文提出了奥氏体不锈钢管滞回本构模型,包括骨架准则以及滞回准则,建立的数学模型能够描述奥氏体不锈钢管在循环荷载作用下的基本行为。根据提出的模型并利用ABAQUS软件平台,采用Fortran语言二次开发了能够进行循环荷载下奥氏体不锈钢管计算分析的程序。通过与试验曲线进行对比分析,证明本文提出模型的准确性及实用性,从而确保其用于不锈钢管结构体系弹塑性时程计算的可靠性,为奥氏体不锈钢管结构体系强震分析提供有力工具。

文章作者:不锈钢管|304不锈钢无缝管|316L不锈钢厚壁管|不锈钢小管|大口径不锈钢管|不锈钢换热管

文章地址:http://www.barex-nordic.com/Info/View.Asp?Id=1029

版权所有 © 转载时必须以链接形式注明作者和原始出处

我们需要您的支持与分享

分享到:

相关新闻

    没有资料
亚博官网 <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <文本链> <文本链> <文本链> <文本链> <文本链> <文本链>