模拟冷弯残余应力及其在稳定分析中的应用刘华琛 赵 峰武汉科技大学摘 要: 冷弯残余应力的存在会影响薄壁型钢构件的整体稳定性。通过运用ANSYS软件,创建初应力文件的方法来模拟冷弯残余应力分布,并将其应用在整体稳定分析中。该方法解决了直接考虑冷弯残余应力影响下,薄壁型钢结构构件弹塑性整体稳定计算问题。关键词: ANSYS软件; 冷弯残余应力; 初应力文件 近几十年来,我国冷弯薄壁型钢的生产和运用得到了迅猛发展。据估计,目前平均每年有近300万m2的轻型钢结构建筑竣工,作为轻钢结构中的主要受力构件之一,冷弯薄壁型钢轴心受压构件得到了越来越多的研究。由于钢材强度很高,冷弯薄壁型钢轴心受压构件往往比较细长、比较薄,在压力作用下常常先于强度破坏而失稳,所以其稳定问题是研究的重点。在影响冷弯薄壁型钢构件稳定的各因素中,冷弯残余应力是不可忽略的重要因素。然而,由于其分布的特殊性,目前在计算中,尚未找到一种很好的方法来直接考虑它的影响。我国在制定的《冷弯薄壁型钢结构技术规范》(GB5001822002)时,对构件整体稳定的计算就未直接考虑冷弯残余应力的影响。为了解决这一问题,我们通过应用ANSYS软件,创建初应力文件的方法来模拟冷弯残余应力分布,并在构件有限元模型建立后,将初应力文件引入到构件稳定分析中,得到直接考虑残余应力影响下的冷弯薄壁型钢构件整体稳定承载力。1 冷弯薄壁型钢残余应力的分布特点 用电化学腐蚀切条法测试的冷弯卷边槽钢和冷弯卷边角钢残余应力实测结果见图1和图2,其分布特点:(1)截面的外侧表面为纵向残余拉应力,内侧表面为纵向残余压应力;(2)截面同一位置内外表面上图1 冷弯卷边槽钢残余应力分布图2 冷弯卷边角钢残余应力分布的残余压应力与残余拉应力值接近相等;(3)在截面的转角区域,其内、外侧表面上纵残余应力值最大。2 冷弯薄壁型钢残余应力的计算模型 根据文献[4]和[5]的冷弯残余应力测试结果,转角处最大的纵向残余拉、压应力达到0.4左右。转角处纵向残余应力取值为0.4,平板中段的纵向残余应力简化取值为0,沿厚度方向,冷弯残余应力按线形变化考虑。冷弯卷边角钢和卷边槽钢残余应力计算模型见图3、图4。图3 冷弯卷边角钢、卷边槽钢残余应力计算模型(拉应力为负,压应力为正)25国外建材科技 2005年 第26卷 第2期©1995-2006TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.图4 残余应力沿厚度方向分布3 冷弯残余应力模拟与应用3.1 初应力文件的编制应用ANSYS软件进行冷弯薄壁型钢构件整体分析时,合理的解决冷弯残余应力施加是关键。采用编制初应力文件方法可以很好的解决这一问题。即将冷弯残余应力计算模型转化成初应力文件,在应用ANSYS软件做屈曲分析时,将初应力文件转化为一种荷载施加给结构构件。ANSYS有下列单元类型支持初应力输入功能:PLANE2,PLANE42,SOLID45,PLANE82,SOLID92,SOLID95,SHELL181,PLANE182,PLANE183,SOLID185,SOLID186,SOLID187,BEAM188和BEAM189。图5 积分点位置初应力文件的编制:对冷弯薄壁型钢构件分析时,有限单元采用Shell单元。在构件划分足够的单元后,将每个单元的残余应力指定在单元的中心或单元积分点处。对于残余应力沿厚度方向的变化,采用非
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积分点位置来模拟其特点,沿单元厚度方向设5个积分点,厚度坐标从-0.5到0.5,积分点位置依次为0.5、0.3、0.0、-0.3、-0.5,见图5。冷弯残余应力沿厚度方向的变化,可通过把残余应力指定在这5个积分点上来描述。在初应力文件中,每个单元的应力记录中有6个应力分量,分别是Sx、Sy、Sz、Sxy、Syz、Sxz,单元中积分点的先后顺序按照单元坐标系的方向排列,每个积分点处的6个应力分量按此顺序记录下来。由于冷弯薄壁型钢构件残余应力大小具有沿杆长方向不变的特点,可应用VB语言编写残余应力转化程序来解决单元量巨大时,初应力文件编写困难的问题。在编写残余应力文件时,只需按初应力文件格式写出构件底(或顶)端截面每个单元应力记录,经程序转化就可直接形成构件所有单元应力记录,可以节约大量的工作量。3.2 冷弯残余应力的模拟与应用编辑完初应力文件后,用命令ISFILE读取初应力文件。在ANSYS结构稳定分析中,把初应力指定为一种荷载,并在分析的第一荷载步中施加。图6为75×75×25×2.5的卷边角钢,材料为Q235,屈服强度为fy=235Nömm,残余应力计算模型见图3。ANSYS读入初应力文件后求解得到残余应力模拟云图。该模拟云图(见图6)与计算模型是吻合的,能够比较真实的反映构件中残余应力的存在状态。对于各种不同的截面构件、不同残余应力分布方式,都可采用该方法模拟其残余应力。图6 冷弯卷边角钢残余应力沿外截面变化云图冷弯薄壁型钢构件屈曲分析具体步骤如下:先选用壳单(SHELL)建立构件模型,不考虑钢材的强度硬化,材料按理想弹塑性体考虑;模型建好后划分网格,采用矩形单元;稳定分析时,先用LSFILE命令读入残余应力的初应力文件,子步数设定为1求解;随后的第二荷载步是在构件上施加各种外部荷载,荷载的大小、子步数根据具体分析时确定。在构件进入非线性阶段时,采用弧长法。根据弧长法给出的结构构件荷载—位移曲线,判断其极限荷载值,计算出轴心受压整体稳定系数Υ。按这种方法求解得到直接考虑冷弯残余应力影响和在不同受力条件下,冷弯薄壁型钢结构构件弹塑性整体稳定的极限荷载。4 结 语通过引入初应力文件的方法,应用ANSYS软件直接模拟冷弯残余应力的方法是可行的。在此基础上进行冷弯薄壁型钢构件的稳定分析,其结果是具有参考价值的。参考文献[1] 中华人民共和国国家标准.冷弯薄壁型钢结构技术规范.北京:中国计划出版社,2002.[2] WengCC,PekozT.ResidualStressinCold2steelMembers.ResearchReport.CornellUniversity,Ithach,NewYork,1998.[3] 赵 峰,李成玉.电化学腐蚀法测试冷弯薄壁型钢的残余应力.钢结构(增刊),2000.[4] AISI96.SpecificationfortheDesignofCold2steelStructuralMenbers.Washington,DC,1996.[5] 刘华琛.冷弯薄壁型钢轴心受压构件在残余应力影响下的整体稳定性研究[D].武汉科技大学,2003.收稿日期:2005201212.作者简介:刘华琛,硕士;武汉,武汉科技大学城市建设学院(430070).35国外建材科技 2005年 第26卷 第2期©1995-2006TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.
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