轴向荷载作用下钢—聚氨酯复合管力学性能研究

论文摘要

钢-聚氨酯复合管是一种新型的组合结构构件,它利用钢管和聚氨酯两种材料在受力过程中的相互作用,即钢管对聚氨酯的套箍作用,使聚氨酯处于复杂应力状态之下,从而使聚氨酯的强度得以大幅度提高,塑性以及韧性得到显著改善;同时,由于聚氨酯的存在,延缓或避免了钢管过早的发生局部屈曲。两种材料组合在一起,不仅使各自的特性达到充分发挥,同时组成的新的结构体系也具有优越的力学性能。钢-聚氨酯结构具有强度高、质量轻、延性好、抗震强、耐疲劳、耐冲击、施工简单等优越的力学性能,因而它在工程结构中得到越来越广泛的应用。但是目前的理论研究大都偏重于钢聚氨酯夹层结构,对钢-聚氨酯复合管这种新型组合结构还未展开研究,因此,有必要对钢-聚氨酯复合管的力学性能进行研究。本文以轴向荷载作用下的钢-聚氨酯复合管为研究对象,通过试验以及有限元模拟的方法,考察包括长细比、套箍系数等因素对其承载力的影响,为工程上广泛使用这种结构提供理论依据。首先通过试验采集了各级荷载下试件的应变、位移和极限承载力等实验数据,以及在加载过程中的外形变化和破坏特征,并对试件的荷载-变形关系特点,以及长径比和套箍系数对极限承载力的影响进行了分析,其次建立了三维非线性有限元分析模型,对试件受力进行了全过程分析,较为深入的揭示了钢-聚氨酯复合管在轴向荷载作用下的工作机理。具体进行了以下几个方面的工作:（1）测试采集了各级荷载下试件的应变、位移和极限承载力等实验数据,,详细记录了钢-聚氨酯复合管试件在加载过程中的外形变化和破坏特征。（2）研究了钢-聚氨酯复合管的荷载-变形关系曲线特点,总结出不同套箍系数、不同长径比试件的荷载-变形曲线变化的规律以及整体工作全过程,分析了影响其承载力的因素。（3）通过试验数据建立钢-聚氨酯复合管的三维非线性有限元分析模型,选取出适合的钢管和聚氨酯弹性体的本构关系模型。钢管和聚氨酯弹性体采用ANSYS提供的等向弹塑性模型,使用Von Mises屈服准则和相关流动法则来描述其塑性变形。在模型中,考虑到钢管与聚氨酯之间的粘结性能良好,故采用双单元模型,钢管单元和聚氨酯单元之间共用节点。（4）采用有限元法对钢-聚氨酯复合管在轴向荷载作用下的受力进行了全过程分析,分析了受力过程中钢-聚氨酯复合管的破坏模态,较为深入的揭示了钢-聚氨酯复合管在轴向荷载作用下的工作机理。（5）通过试验验证有限元方法中采用的本构关系模型是否恰当,屈服准则是否合理,聚氨酯和钢管之间的粘结性能是否良好,并通过有限元和试验结果提出钢-聚氨酯复合管的承载能力简化公式。

论文目录

• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 问题的提出
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 主要研究内容
• 第2章 轴向荷载作用下钢－聚氨酯复合管力学性能试验
• 2.1 概述
• 2.2 试件设计与制作
• 2.3 材料强度
• 2.3.1 钢材
• 2.3.2 聚氨酯
• 2.4 试验过程
• 2.4.1 试验装置
• 2.4.2 加载方式
• 2.4.3 测量方法
• 2.4.4 试验步骤
• 2.5 试验现象与分析
• 2.5.1 试验现象
• 2.5.2 现象分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 轴向荷载作用下钢-聚氨酯复合管下力学性能的理论分析
• 3.1 概述
• 3.2 钢－聚氨酯复合管标准试件理论分析
• 3.2.1 荷载－变形曲线
• 3.2.2 极限承载力
• 3.2.3 影响承载力的因素分析
• 3.2.4 钢－聚氨酯复合管极限承载力计算公式
• 3.3 钢－聚氨酯复合管长试件理论分析
• 3.3.1 荷载－变形曲线
• 3.3.2 极限承载力
• 3.3.3 影响承载力的因素分析
• 3.3.4 钢－聚氨酯复合管极限承载力计算公式
• 3.4 本章小结
• 第4章 有限元法基本理论及在ANSYS 中的实现
• 4.1 概述
• 4.2 有限元法基本原理
• 4.3 非线性有限元法
• 4.4 非线性分析在ANSYS 软件中的实现
• 4.4.1 几何非线性
• 4.4.2 材料非线性
• 4.4.3 非线性方程的求解方法
• 4.5 本章小结
• 第5章 钢－聚氨酯复合管有限元分析
• 5.1 概述
• 5.2 有限元模型的建立
• 5.2.1 本构关系
• 5.2.2 几何模型
• 5.2.3 单元网格划分
• 5.2.4 钢管与聚氨酯界面模拟
• 5.2.5 边界约束与加载
• 5.2.6 求解与后处理
• 5.3 计算结果与分析
• 5.3.1 轴压工作机理
• 5.3.2 轴拉工作机理
• 5.4 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 摘要
• Abstract