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考虑主管轴力影响的垫板加强X型管节点承载力性能研究毕业论文

 2020-02-17 12:02  

摘 要 第一章 绪论---------------------------------------------------------4 1.管节点--------------------------------------------------------4 2.主管轴向荷载作用对X型圆钢管的承载力的影响--------------------6 3.试验方法------------------------------------------------------7 4.国内外研究进展------------------------------------------------9 第二章 管节点有限元模型--------------------------------------------12
  1. 未加强的X型节点模型的建立----------------------------------12
    1. Part(部件)模块----------------------------------------------12
    2. Property(特性)模块------------------------------------------13
    3. Assembly(装配)模块------------------------------------------16
    4. Step(分析步)模块-------------------------------------------18
    5. Interaction(相互作用)模块----------------------------------20
    6. Load(荷载)模块---------------------------------------------21
    7. Mesh(网格)模块---------------------------------------------24
    8. Job(分析作业)模块------------------------------------------28
  2. 垫板加强的X型节点模型的建立--------------------------------29
    1. Part(部件)模块----------------------------------------------29
    2. Property(特性)模块------------------------------------------32
    3. Assembly(装配)模块------------------------------------------32
    4. Step(分析步)模块-------------------------------------------33
    5. Interaction(相互作用)模块----------------------------------33
    6. Load(荷载)模块---------------------------------------------35
    7. Mesh(网格)模块----------------------------------------------35
    8. Job(分析作业)模块------------------------------------------35
第三章 有限元模型的验证--------------------------------------------36 第四章 有限元参数的分析--------------------------------------------39
  1. 未加强的X型节点模型的参数分析-----------------------------39
      1. X3试件的参数分析-------------------------------------------40
      2. X5试件的参数分析-------------------------------------------42
  2. 垫板加强的X型节点模型的参数分析----------------------------45
  3. X4试件的参数分析-------------------------------------------46
  4. X6试件的参数分析-------------------------------------------49
  5. 结论-------------------------------------------------------51
第五章 结论--------------------------------------------------------53 第六章 进一步研究展望----------------------------------------------54 致谢---------------------------------------------------------------55 参考文献-----------------------------------------------------------56 摘要:焊接圆钢管节点广泛应用于现代结构中,比如体育场馆和高铁站。由于支管的轴向刚度远远大于主管的径向刚度,在支管荷载作用下,主管极易发生局部屈曲,经常需要对主支管焊接处主管部位进行加强。垫板加强是一种常用的管节点加强方式。在垫板加强方式中主管表面焊接一块垫板,然后将支管焊接到垫板上从而增加主管的局部厚度,提高节点承载力。已有研究表明,对于未加强型管节点,主管的轴向荷载包括压载荷和拉载荷都会降低节点的承载力。以往对垫板加强的管节点承载力研究从未考虑主管轴向荷载的影响。因为垫板与主管内部接触部位未焊接到一起,在主管轴向受压荷载作用下,垫板与主管的内部接触部位可能会相互脱离,从而影响到节点的承载力。本文将对此进行相应的讨论研究,研究主管轴向荷载作用对垫板加强的X型圆钢管的承载力的影响。 关键词:管节点,有限元,垫板加强,承载力 第一章 绪论
  1. 管节点
圆钢管结构是由圆钢管构件连接而成的结构形式。圆钢管结构最初是应用在海洋平台的建造上,后来由于其优点,逐渐发展推广到普通建筑结构中。随着2008年北京奥运会的顺利举行,国内钢管结构有了极大的发展空间。 圆钢管结构能被广泛应用于建构结构中与其自身的优点密不可分。从力学性能上来看,截面各向等强无弱轴,抗扭性能较好。从经济上来看,钢管结构有很高的强重比,在强度一定时可以减轻结构的重量,能够节省材料,用钢效率较高。钢管结构的抗腐蚀性能也较好。而且,钢管结构的表面积较小,能够减少涂漆和防火保护的费用。钢管结构易除尘,也没有容易积灰的地方。另外,钢管结构的截面几何形状为圆形且外表面光滑,承受的风荷载等动荷载较小。 钢管结构中杆件连接的节点方法很重要,而钢管相贯节点由于其优越性成为钢管结构中普遍采用的节点形式。 相贯节点又称无加劲节点(unstiffened joint)、直接焊接节点(directly-welding joint)或简单节点(simple joint)。在节点处,同一轴线上的两个较粗的相邻杆件贯通,称为主管,其余杆件通过端部相贯线加工后直接焊接在贯通杆件的外表,称为支管。 相贯节点有很多种分类方法,按照几何形式分类可以分为平面节点和空间节点。所有杆件轴线位于同一平面内的节点称为平面节点,否则为空间节点。常见的平面节点有:T型节点、X型节点、Y型节点、K型节点等,常见的空间节点有:TT型节点、XX型节点、KK型节点等。 在工程实践中,钢管相贯节点表现出了许多优越性,如外观简洁明快,构造简单,传力路线明确,节省节点用钢等,近年来,许多已建成或在建的重大工程都采用了钢管相贯节点。 图1.1 武汉站 图1.2 上海浦东机场
  1. 主管轴向荷载作用对X型圆钢管的承载力的影响
近年来,国内外对未加强的圆钢管节点进行了大量的研究,研究表明,对于未加强的圆钢管节点,主管的轴向荷载包括压载荷和拉载荷都会降低节点的承载力。而对于承载力的研究计算也取得了一定成果,并得出了相应的计算公式: 其中, —考虑不同节点几何形状的参数 —考虑主管轴向应力水平的参数 —主管屈服强度 —主管壁厚 —主管轴线与支管轴线的夹角 从公式中可以看出,对于同一种钢管结构,其极限承载力只与有关,而也有相对应的计算公式: 其中,当n<0时,对于T,Y,X型节点有,=0.45-0.25β,对于K型节点,有,=0.25;当n≥0时,=0.20。 可以看出,X型圆钢管的极限承载力与主管轴向力有关,且成正比。 上述公式是在未加强的情况下所得到的管节点承载力计算公式,而由于垫板加强的管节点的结构较为复杂,因为垫板与主管内部接触部位未焊接到一起,在主管轴向受压荷载作用下,垫板与主管的内部接触部位可能会相互脱离,从而影响到节点的承载力,所以在垫板加强情况下的管节点承载力的计算公式还并未被研究出来。在垫板加强情况下,主管轴向荷载作用对管节点承载力的影响目前并没有被人进行研究,上述公式不一定在垫板加强的情况下也能够成立,因此,需要大量的有关垫板加强的管节点的承载力的实验研究数据来验证该公式是否在垫板加强的情况也成立。
  1. 试验方法
ABAQUS是一套功能强大的工程模拟的有限元软件,其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库,可以模拟典型工程材料的性能,其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料。作为通用的模拟工具,ABAQUS除了能解决大量结构(应力/位移)问题,还可以模拟其他工程领域的许多问题,例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析(流体渗透/应力耦合分析)及压电介质分析。 ABAQUS被广泛地认为是功能最强的有限元软件,可以分析复杂的固体力学结构力学系统,特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。ABAQUS不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析,同时还可以做系统级的分析和研究。ABAQUS的系统级分析的特点相对于其他的分析软件来说是独一无二的。由于ABAQUS优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性使得ABAQUS被各国的工业和研究中所广泛的采用。ABAQUS产品在大量的高科技产品研究中都发挥着巨大的作用。 ABAQUS有多种模块,分别为:part(部件)模块、Property(特性)模块、Assembly(装配)模块、Step(分析步)模块、Interaction(相互作用)模块、Load(荷载)模块、Mesh(网格)模块、Job(分析作业)模块、Visualization(可视化)模块、sketch(绘图)模块。 ABAQUS模型通常由若干不同的部分组成,它们共同描述了所分析的物理模型和要获取的结果。一个完整的模型至少包括以下内容:几何形状、单元特性、材料数据、荷载和边界条件、分析类型和输出要求。 几何形状主要在part模块中建立,单元特性主要在mesh模块中选择,材料数据只要在property模块中创建,荷载和边界条件主要在load模块中完成,分析类型主要在step模块中设定,输出要求主要在step模块中设定。 本文将采用ABAQUS有限元分析方法来研究主管应力对管节点承载力的影响。本文选取的数据全部来自参考文献中。 首先,需要先验证ABAQUS有限元分析软件的可靠性来为之后的参数分析等工作提供保障。利用参考文献中的某组试件的数据进行模型建立,然后对模型进行计算并将计算结果绘制成曲线,再将计算得出的曲线与原文献中的实验数据得到的曲线进行对比即可验证ABAQUS有限元分析软件是否可靠,能否进行接下来的工作。 其次,利用ABAQUS软件对参考文献中的试件进行建模,在模型建立完成后,再利用ABAQUS对已建好的模型进行计算。 然后,将计算得出的数据放到excel中并绘制成图,画出相应的荷载位移曲线,找到对应的极限承载力。 最后,利用极限承载力求出值,然后绘制出-β曲线,并与规范中的-β进行对比计较,得出结论即可。
  1. 国内外研究进展
    1. 为了了解加强对极限承载力的影响,进行了试验研究。研究了用垫板或环口板加固的轴向受力T型接头的静力特性。研究的参数涉及荷载类型(即拉力或压力)、配置(未加强、环口板加强或垫板加强),支管与主管管径比b,主管径壁厚比2g,报告试验布置,给出了试件的详细情况和最相关的结果(破坏机理和荷载-变形关系)。实验表明与相应的未加强节点的极限承载力相比,两种加强类型的T型节点的强度都有显著提高。
    2. 研究了环口板对圆钢管X型节点在拉压作用下的静力性能的影响。为此,测试了三个不同β值的环口板加固X型节点和三个相应的未加强X型节点。根据荷载-位移曲线和变形形状,对加强和未加强X型节点的静力性能进行了评价。加强和未加强X型节点结果之间的压缩表明,垫板可提高初始强度和极限强度此外,变形形态之间的压缩表明,接近节点交接处的加强试件的变形形态比相应的未加强试件的变形形态更均匀。最后,提出了有限元模型。结果表明,该模型能准确预测无强和环口板加强X型节点的荷载-位移曲线和破坏模式。
    3. 对带外加劲肋和不带外加劲肋的X型节点的轴向承载力进行了试验和数值研究。测试了两个直径比β分别为0.51和0.73的加强X型节点,并与之前工作中的未加强的X型节点进行了比较。比较了未加强和加强X型节点的破坏模式和荷载-位移曲线。结果表明,在所研究的几何尺寸范围内,外加劲肋可以提高未加强的X型节点的极限承载力。通过试验数据验证了带外加劲肋和不带外加劲肋的X型节点的有限元模拟结果。建立并分析了256个X型节点的有限元模型,研究了失效模式、外加劲肋尺寸和节点几何尺寸对提高轴向节点极限承载力的影响。最后,基于改进的屈服线模型,建立了理论公式,并通过实验和数值结果进行了验证。
    4. 通过对带外加劲环的未加强和加强的X型节点的轴向强度试验,研究了X型圆钢管节点。对三对未加强和加强的X型节点进行了试验,以比较其抗压承载力。支管与主管的直径比分别为0.25、0.51和0.73。给出了实验装置、参数和结果。比较了未加强和加强的X型节点的破坏模式和荷载-位移曲线。结果表明,外加劲环使X型节点的轴向承载力分别提高了86%、75%和58%。有限元模拟准确预测了带外加强圈和不带外加强圈的X型节点的结构响应。
    5. 研究了环口板加强圆形空心截面X型节点在拉压作用下的耐高温性能。建立了一个有限元模型,并用多次实验数据对其结果进行了验证。并与其他研究者的数值结果进行了比较。随后,生成了若干经环口板加强的X型节点的三维有限元模型,以研究接头几何结构和环口板尺寸对不同高温下初始强度、极限强度和失效机制的影响。结果表明,在高温(200°C、400°C、600°C和800°C)下,在X型节点中使用环口板会显著提高初始刚度和极限强度。此外,在所有高温下,板长度的增加导致极限强度的降低较小。但是,板厚对折减系数的影响可以忽略。此外,在高温下,板加强X型节点中β的降低会导致最大塑性应变从节点交接点转移到将环口板连接到主管的焊缝的焊趾处。在参数研究的基础上,通过非线性回归分析,提出了一个参数方程,用于确定高温下环口板加强X型节点的极限强度。
    6. 研究了轴向荷载作用下带环口板的X型节点的初始Sti效应、极限强度和破坏模式。在第一阶段,开发了一个有限元模型,并根据实验研究得出的试验结果进行验证。在此之后,建立并分析了136个有限元模型。结果表明,用环口板加强的X型节点的极限强度可达到相应未加强节点强度的325%。此外,随着环口板长度的增加,初始厚度和极限拉伸强度显著增加。同样,在相同的荷载作用下,加强节点的变形明显小于相应的未加强节点的变形。尽管未加强的X型节点的静强度与环口板加强X型节点在拉伸荷载下的静强度存在显著差异,但目前还没有关于这一问题的研究。此外,还没有设计方程可用于确定受拉荷载作用的加强X型节点的极限强度。因此,在进行参数化检验后,提出了X型环口板节点在轴向拉伸荷载作用下的理论计算公式。
    7. 介绍了加强和未加强T型管节点在轴向支撑荷载作用下的12个试验结果。研究报告了这12个实验的有限元模拟。讨论了有限元方法的各个方面,如单元类型、网格密度和接触算法。数值计算和实验确定的荷载椭圆化图显示了一个非常好的相关性,不仅对于初始刚度,而且对于峰值载荷和曲线的后发分支。通过对比试验得到的变形横截面和相应的数值确定的变形形状,进一步确认了数值和试验结果之间的密切匹配。接着对受轴向支撑压缩作用的T型节点进行了参数有限元分析。结果表明,适当比例的加强板可以显著提高强度。
    8. 介绍了对210个T/Y型节点用垫板加强模型进行综合有限元分析的结果。根据12项实验数据验证了有限元模型的结果。这些有限元模型研究了在平面内弯曲(IPB)荷载作用下,垫板型号和几何节点对垫板加强的T/Y管节点静力强度的影响。然后,比较了垫板和环口板的极限承载力和变形形态。结果表明,在IPB载荷作用下,垫板能显著提高T型和Y型节点的初始刚度和极限承载力,显著改善了T型和Y型节点的破坏形态。尽管未加强的T/Y节点的静承载力与受IPB作用的T/Y节点的静承载力存在显著差异,但目前还没有研究IPB荷载作用下T/Y节点的静承载力,也没有设计方程可用于计算垫板加强的T/Y型管节点的极限承载力。为此,在几何参数研究的基础上,通过一组非线性回归分析,提出了适用于IPB荷载作用下加强管T/Y节点的极限承载力参数公式。
    9. 对3个未加强T型管节点和3个环口板加强的T型管节点试件在轴向压力作用下的静承载力进行试验,验证了环口板对加强管节点静力强度的提高效果。试验结果表明:环口板加强了主管焊接部位的刚度,从而使管节点的破坏方式发生了改变,将破坏从焊缝周围转移到了环口板的周围,可以有效地提高管节点的承载能力。
    10. 采用有限元模拟和理论分析相结合的方法,研究了外加加劲肋的圆钢管T形节点在轴压作用下的承载力。通过对9个加强和未加强的T型节点的轴压试验,首次验证了有限元建模方法的有效性。建立并分析了256个T型节点的有限元模型,研究了外加劲肋尺寸和节点几何尺寸对提高轴压节点极限承载力的影响。参数分析结果表明,当加劲肋与弦杆直径之比β增大时,极限承载力增量减小,而加劲肋长度与加劲肋直径之比η几乎成正比。另外,对于这种T型节点,当外加劲肋厚度不小于主管厚度时,加劲肋厚度系数对主管厚度λ和弦2γ直径厚比对极限承载力提高的影响不明显。在屈服线模型的基础上,进一步推导了外加劲肋T形节点的极限承载力计算公式。
第二章 有限元模型的建立 在打开ABAQUS有限元分析软件之前,首先要打开ABAQUS licensing软件,点击start/stop/reread界面并点击start server,待对话框下方出现server start successful之后再打开ABAQUS CAE。如果在打开ABAQUS CAE之前没有进行上一步操作将会出现显示“ABAQUS ERROR:ABAQUS/CAE Kernel exited with an error”的提示,并且将不能够正常打开ABAQUS CAE。

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