不锈钢冷弯薄壁方型钢残余应力及其对结构极限承载力的影响分析

论文摘要

结构分析的精度取决于描述材料力学性能和构件初始缺陷的相关参数输入。冷弯薄壁型钢在生产过程中会产生显著的残余应力和材料的应变硬化,其大小和分布与其生产过程密切相关,对冷弯钢结构极限承载力有着显著的影响。虽然已有冷轧型钢、冷弯槽钢和冷弯圆形钢管的残余应力理论模型,目前还没有冷弯不锈钢方型钢残余应力和等效塑性应变的理论模型。本文通过模拟冷弯方型钢的生产过程,建立了一个理论模型计算不锈钢冷弯薄壁方型钢各冷弯阶段板内残余应力和等效塑性应变,并应用理论模型研究不锈钢冷弯方型钢柱轴压极限承载力及冷弯效应对轴压极限承载力的影响,结果与各国规范进行了比较。本文的主要研究工作和结论包括：(一)基于平面应变弹塑性纯弯假设,建立了考虑大曲率弯曲的不锈钢冷弯方型钢残余应力和等效塑性应变的理论模型,该模型考虑了不锈钢材料各向异性特性和非线性应变硬化特征,可计算不锈钢冷弯方型钢在生产过程中成卷、开卷及整平、冷弯成圆形管、整形阶段产生的残余应力和等效塑性应变。(二)建立了模拟不锈钢冷弯薄壁方型钢整形阶段弹性回弹和整形有限元模型,计算了不同尺寸、不同成型方式不锈钢冷弯薄壁方型平板部分和棱角部分残余应力和等效塑性应变,可掌握残余应力和等效塑性应变沿构件厚度方向的分布。通过与已有的残余应力实验结果进行比较,验证了理论模型和有限元模型的精度和可靠性。(三)基于提出的理论模型,建立了冷弯方型钢柱轴压极限承载力的壳单元有限元模型,考虑了不锈钢的材料非线性、初始几何缺陷、冷弯残余应力和等效塑性应变。分析了不同长度、不同边界条件的冷弯方型钢柱极限承载力,并与各国设计规范的结算结果进行比较,进一步验证了残余应力理论模型和冷弯方型钢柱有限元模型的可靠性。(四)采用参数分析的方法,应用理论和有限元模型,分析了不同截面尺寸、不同长度的冷弯方型钢固接短柱和铰接长柱的轴压极限承载力,分别研究了冷弯残余应力、等效塑性应变和两者共同作用对冷弯方型钢柱极限承载力的影响。结果表明,通常残余应力降低构件极限承载力和刚度,而等效塑性应变可提高构件极限承载力和刚度。冷弯作用对冷弯方型钢柱轴压极限承载力的提高作用随柱长增加而增强,但随截面尺寸增大而减弱。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 论文的研究背景及意义
• 1.2 冷弯方型钢制造工艺
• 1.3 冷弯型钢研究文献综述
• 1.3.1 材料应力-应变关系
• 1.3.2 残余应力
• 1.3.2.1 实验研究
• 1.3.2.2 理论模型及有限元模拟研究
• 1.3.3 材料冷弯效应
• 1.3.4 初始几何缺陷
• 1.3.5 冷弯型钢结构性能的数值模拟分析技术
• 1.3.6 残余应力对冷弯型钢结构性能的影响
• 1.3.7 设计规范中冷弯型钢轴压构件计算
• 1.3.8 文献综述小结
• 1.4 本文主要工作及创新点
• 第二章 不锈钢冷弯薄壁方型钢残余应力理论模型
• 2.1 引言
• 2.2 基本假设
• 2.3 大曲率弯曲的残余应力理论模型
• 2.4 考虑大曲率弯曲的不锈钢应力-应变曲线模型
• 2.5 本章小结
• 第三章 大曲率弯曲不锈钢冷弯薄壁方型钢残余应力理论模型验证
• 3.1 引言
• 3.2 材料特性
• 3.3 大曲率纯弯分析的有限元模拟
• 3.3.1 有限元模型
• 3.3.2 理论和有限元结果比较分析
• 3.4 回弹和整形模拟
• 3.4.1 有限元模型
• 3.4.2 网格划分收敛性分析
• 3.4.3 有限元和实验结果比较
• 3.4.4 有限元和理论结果比较
• 3.5 本章小结
• 第四章 不锈钢冷弯薄壁方型钢柱轴压极限承载力分析
• 4.1 引言
• 4.2 冷弯方型钢柱极限承载力分析有限元模型
• 4.3 网格划分与收敛性
• 4.4 理论模型和整形模型的结果比较
• 4.5 与设计规范计算结果的比较
• 4.6 本章小结
• 第五章 冷弯成型参数分析及对方型钢柱极限承载力的影响
• 5.1 引言
• 5.2 冷弯成型参数分析
• 5.2.1 成卷半径的影响
• 5.2.2 截面尺寸的影响
• 5.3 冷弯效应对冷弯方型钢轴压承载力的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 论文的主要工作及结论
• 6.3 研究展望
• 参考文献
• 附录A 不锈钢带在受到纵向弯曲时的纵向应变增量表达式
• 致谢
• 攻读学位期间参与科研及发表论文情况