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      奧氏體不銹鋼管滯回本構模型研究

      準確的材料滯回本構模型是保證彈塑性地震反應預測準確性的基本前提,如果本構模型選取不當,會對計算結果產生較大影響。為此該文提出了奧氏體不銹鋼管考慮循環強化作用的單軸滯回本構模型,包括骨架準則及滯回準則。建立數學模型描述奧氏體不銹鋼管在循環荷載作用下的受力性能。根據提出的理論模型并利用ABAQUS用戶材料子程序UMAT,采用Fortran語言二次開發了能夠進行循環荷載下奧氏體不銹鋼管計算分析的程序。通過與試驗結果進行對比,表明提出的模型能夠準確描述奧氏體不銹鋼管的滯回行為,兼顧計算精度和效率,為奧氏體不銹鋼管結構體系強震分析提供有力工具。

      不銹鋼管具有良好的耐腐蝕性、耐久性、較高的延性、優良的抗火性能以及沖擊韌性,并兼具美觀環保等特點,是一種高性能鋼材,能夠很好地適應嚴苛的外部環境,因此,越來越被廣泛應用于建筑及橋梁結構中;谀壳皬娏业卣痤l發的現狀,結構的抗震性能是研究的熱點。在強震作用下,結構主要依靠材料自身的彈塑性滯回行為來抵御外荷載,表現為超低周疲勞特征,為此,一些學者進行了不銹鋼管彈塑性疲勞試驗研究,探討不銹鋼管材的循環受力特征。

      由于結構在強烈地震作用下的動力響應過程十分復雜,考察結構在罕遇地震作用下的真實狀態時,常用的方法包括振動臺動力試驗或彈塑性動力時程分析。由于振動臺試驗費用高且加載工況有限,因此目前多采用彈塑性時程模擬方法來預測結構在強烈地震作用下的動力響應。在數值模擬中,準確的材料滯回本構模型是保證彈塑性地震反應預測準確性的基本前提,如圖1所示,如果本構模型選取不當,會對計算結果產生較大影響。

      普通鋼材已經具有較成熟的滯回本構模型,但不銹鋼管的本構模型與普通鋼材有明顯的不同。普通鋼材的材料單調加載曲線具有明顯的屈服點和屈服平臺,而不銹鋼管則表現出強烈的非線性特征,如圖2(a)和圖2(b)所示。此外,不銹鋼管的循環強化特征以及再加載軟化行為也與普通鋼材有較大區別,如圖2(c)和圖2(d)所示。不銹鋼管性能的特殊性必然會導致整體結構的滯回行為與普通鋼結構有明顯不同,因此,需要根據不銹鋼管的受力特征,提出適用于此種材料的準確滯回本構模型。

      目前國內外學者提出的本構模型多是基于Ramberg-Osgood模型或其改進形式,為單調加載曲線,很少給出不銹鋼管在循環荷載作用下的滯回本構模型。文獻表明不銹鋼管在單調荷載作用下的受力性能與循環荷載下有較大區別。據此,本文提出了奧氏體不銹鋼管的單軸滯回本構模型,包括骨架準則及滯回準則,針對奧氏體不銹鋼管在彈塑性循環荷載作用下的受力特征建立數學模型。根據提出的模型并利用ABAQUS軟件平臺,采用Fortran語言二次開發了能夠進行循環荷載下奧氏體不銹鋼管計算分析的程序。通過與試驗曲線進行對比分析,驗證本文提出模型的準確性及實用性,從而確保其用于不銹鋼管結構體系彈塑性時程分析的可靠性,為奧氏體不銹鋼管結構體系強震分析提供有力工具。

      1滯回本構模型描述

      1.1滯回本構模型基本要求

      奧氏體不銹鋼管的單調加載曲線沒有明顯的屈服點,呈現較為光滑的曲線形式,與普通鋼材有較大區別。其循環加載峰值點的連線與單調加載曲線并不重合,不能利用單調加載曲線替代循環骨架曲線。奧氏體不銹鋼管的滯回曲線受拉和受壓基本對稱,呈現各向同性強化和隨動強化兩者綜合特征,為混合強化形式,具有明顯的包興格效應,再加載過程為顯著非線性行為。根據奧氏體不銹鋼管的循環加載受力特征,其滯回本構模型可分為兩部分:骨架準則及滯回準則。

      1.2模型骨架準則

      奧氏體不銹鋼管的骨架準則主要包含兩個方面:單調加載準則和循環骨架準則,如圖3所示。單調加載準則主要針對首次加載情況;循環骨架準則主要描述鋼材的滯回峰值行為。

      2滯回本構模型程序開發

      為了滿足奧氏體不銹鋼管滯回本構模型的實用化需求,基于提出的數學模型及ABAQUS平臺,采用Fortran語言二次開發了能夠進行循環荷載作用下奧氏體不銹鋼管結構分析的計算程序,能夠應用于整體結構桿系模型計算分析之中。

      ABAQUS能夠提供用戶子程序(user subroutine)接口,令用戶能夠自行定義符合自己需要的模型。本文采用其提供的用戶材料子程序模塊UMAT(User-defined Mechanical Material Behavior),利用Fortran語言進行編寫,通過主程序和用戶材料子程序之間的調用和反饋,實現數據之間的相互交換。

      程序的實現流程如圖10所示。首先在ABAQUS前處理中建立幾何模型,并輸入用戶材料子程序所需的材料參數,然后增量步開始,前一步收斂應變、應變增量以及當前應力中的數值通過UMAT和主程序之間的接口傳遞到UMAT;積分點調用UMAT,根據上述數據和內部模型規則,求解雅可比矩陣DDSDDE(NTENS,NTENS)和應力張量STRESS(NTENS)。在增量步結束的時候,UMAT將對應力張量和雅可比矩陣更新,并返回主程序。截面上所有積分點的剛度矩陣積分得到單元剛度矩陣,進而形成結構總體剛度矩陣,根據總體平衡方程求解,如不收斂則改變應變增量,收斂則進入下一增量步。

      3試驗驗證

      本文采用文獻一批進行循環加載的奧氏體不銹鋼管試件與本文提出的滯回本構模型進行對比分析,選取其中全部循環加載試驗進行模擬。試件的具體尺寸見圖11(a)。試件的有效長度為20 mm,利用引伸計測量有效長度范圍內的變形,引伸計量程在受拉方向為50%,受壓方向為25%。試驗過程中,力和位移等數據利用IMP數據采集系統進行實時采集與記錄。加載裝置為InstronModel1343拉壓扭萬能疲勞試驗機,加載采用位移控制,循環加載制度如圖11(b)所示。通過試驗分析,考察奧氏體不銹鋼管的循環加載性能及本構特征。

      本文以ABAQUS 6.10的隱式分析模塊ABAQUS/Standard為計算平臺,采用軟件中提供的B31單元進行建模計算。

      從圖12可以看出,本文提出的滯回本構模型計算曲線與試驗循環加載曲線吻合良好,說明本文建議的模型能夠描述奧氏體不銹鋼管在循環荷載作用下的受力特征,較為準確地預測其在不同加載制度下的響應,進而能夠確保模型在奧氏體不銹鋼管結構體系彈塑性時程分析時的精度。

      4結論

      (1)奧氏體不銹鋼管在循環荷載作用下的行為與單調荷載下有明顯的不同,循環荷載下的峰值骨架曲線對于準確預測其滯回行為起到關鍵作用;奧氏體不銹鋼管在循環荷載下的滯回準則也與常用的兩折線隨動強化本構模型有較大區別,這會影響整體結構抗震計算的準確性。

      (2)本文提出了奧氏體不銹鋼管滯回本構模型,包括骨架準則以及滯回準則,建立的數學模型能夠描述奧氏體不銹鋼管在循環荷載作用下的基本行為。根據提出的模型并利用ABAQUS軟件平臺,采用Fortran語言二次開發了能夠進行循環荷載下奧氏體不銹鋼管計算分析的程序。通過與試驗曲線進行對比分析,證明本文提出模型的準確性及實用性,從而確保其用于不銹鋼管結構體系彈塑性時程計算的可靠性,為奧氏體不銹鋼管結構體系強震分析提供有力工具。

      文章作者:不銹鋼管|304不銹鋼無縫管|316L不銹鋼厚壁管|不銹鋼小管|大口徑不銹鋼管|不銹鋼換熱管

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

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