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高强度钢材螺栓抗剪性能的有限元分析

发布于:2018-06-18 18:07
有限元分析

      高强度(Q460级或更高强度)钢材已在实际工程中得到了逐步推广和应用。与普通强度钢材相比,高强度钢材屈服强度和抗拉强度有明显提高,但是塑性变形能力却下降,因而需要对高强度钢材钢结构受力性能展开试验研究和理论分析。之前进行了9组Q460等级高强度钢材螺栓抗剪连接试验,试验结果表明,高强度钢材孔壁承压性能与普通强度钢材存在较大差异,欧洲规范和美国规范都不能很好地预测其破坏模式和承载力,而中国规范困也未给出高强度钢材钢板承压强度设计值。因而建立能够准确模拟高强度钢材螺栓抗剪连接破坏模式和极限承载力的有限元分析模型,对于高强度钢材孔壁承压性能的研究具有至关重要的作用。
      近年来,有限元技术的发展己经能够对螺栓连接建立三维有限元实体模型进行材料、几何、接触非线性分析。研究中运用通用有限元程序ANSYS建立有限元模型,对之前进行的9组Q460等级高强度钢材螺栓抗剪连接试验进行了有限元分析,详细先容了建立有限元模型的具体方法,给出了分析极限承载力的求解全过程,提出了影响模拟精度的重要因素。根据端距、边距和螺栓间距的不同,采用有限元模型模拟出了连接板发生的孔壁承压破坏、净截而破坏等不同的破坏模式。通过将有限元计算结果与相应的试验结果进行比较,验证了有限元模型的准确性。
      对应2种厚度的Q460中国产高强度结构钢,共进行了6组材性试验。可以发现,钢材强度提高的同时,塑性变形能力也有所下降。通过材性试验的荷载-位移曲线转化得到的工程应力-应变关系无法准确表示材料真实的力学行为,特别是在大应变情况下,材料颈缩后断口截而不断减小会严重影响真实应力-应变关系的测定。
      试验采用双盖板拼接形式盖板厚度为40 mm,以保证试件破坏发生在芯板上。螺栓采用10.9级M27高强度螺栓,以防螺栓杆提前被剪断,螺栓未加预拉力,螺栓孔直径do=30mm。试验主要有以下几个参数,通过改变各参数取值,得到不同的破坏模式。
      试验采用液压万能试验机对试件进行竖向拉伸,试件的两端经过滚花处理以增大试验机夹头夹持力,保证在加载过程中不会出现松动。在节点区两侧各布置1个位移计,量测结果的平均值作为节点区的变形。试件的极限承载力根据加载设备的力传感器直接得到。
      采用通用有限元程序ANSYS建立有限元模型,进行材料、几何、接触非线性分析,模拟高强度钢材螺栓抗剪连接孔壁承压性能,研究其破坏模式和极限承载力。
      钢板和高强度螺栓采用单元进行网格划分。单元能够容忍形状畸变,而不会对计算精度造成很大影响。这种单元特别适合曲边模型,有20个节点,每个节点有3个自由度,二方向转动,能够适用于塑性分析、蠕变、应力刚化、大变形和大应变。接触单元Conta173和目标单元Targe170一起组成接触对,模拟接触而的挤压、滑动等力学行为。此类单元可以覆盖于实体单元或壳单元上,无需重新定义节点。
      大应变分析应优先选用双线性应力位变关系,曲线初始斜率取为材料弹性模量。但是这种模型假定钢材拉压的应力-应变关系相同,忽略了屈服后大塑性压应变下的强度折减,而有限元模型2则考虑了这种效应,建议折减率取为2倍的屈服后切线模量。也提出了一种双线性应力位变关系有限元模型。
      接触分析会耗费最大的计算资源,因而有必要在计算精度满足的前提下采用尽量简单的有限元模型,考虑到试验对称性,将建立试件的半边模型。研究发现,试件长度超出一定值之后,对破坏模态和极限承载力分析结果的影响可以忽略,建议试件长度取为150 mm。M27高强度螺栓在有限元分析中假定为无螺纹,螺栓未加预拉力因而孔壁直接承压传力。根据试验现象可知,螺栓杆完全避免了剪切破坏和弯曲破坏,因而分析中假定其为线弹性。网格划分质量会很大程度上影响模拟精度。钢板被分成2个部分进行网格划分:螺栓孔附近和其余位置。孔壁附近的网格密度需要根据应力集中程度做出局部调整,以避免剪锁效应的发生,此外螺栓中心还开了直径的圆孔以便于网格划分。


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