CN106934179B - 输电铁塔角钢主节点拉伸试验数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输电铁塔角钢主节点拉伸试验数据处理方法，包括绘制载荷‑变形曲线、选取弹性阶段、确定滑移量、更新数据并绘制应力‑应变曲线、选取弹性阶段进行线性拟合、确定滑移量、更新数据并重新绘制应力‑应变曲线、计算屈服强度、建模受力分析并确定主要变形区域长度和计算断后延伸率步骤。现有规范只涉及对标准试件拉伸试验的数据处理方法，而实际结构中试件的拉伸一般都伴随着螺栓滑移以及偏心受载等的影响，难以直接套用标准试件的拉伸试验处理方法。本发明相关技术方法的提出填补了实际结构中试件拉伸试验数据处理方法的空白，同时也有利于提高试验数据的处理效率与精度。

Description

输电铁塔角钢主节点拉伸试验数据处理方法

技术领域

本发明涉及一种拉伸试验数据处理方法，尤其涉及一种输电铁塔角钢主节点拉伸试验数据处理方法，属于拉伸测量技术领域。

背景技术

目前，在拉伸试验数据处理方面，比较统一的是国家标准(GB6397-86)中关于低碳钢的拉伸试验数据处理方法。该试验通过对标准件的拉伸，绘制其载荷—变形曲线以及应力—应变曲线，并详细区分曲线中的弹性阶段、屈服阶段、硬化阶段与颈缩阶段，然后通过系列方法计算低碳钢试件的屈服极限、强度极限以及延伸率等重要力学性能参数。

上述方法能够很好地应用到单一试件拉伸时的数据处理，但是针对试件在具体结构中，例如角钢通过螺栓与包钢连接，拉伸时的数据处理存在一些不足或缺陷：(1)由于存在螺栓连接与不确定性的安装误差，试件拉伸时在螺栓连接处势必会产生不定量的滑移量；(2)该试验的应力—应变曲线没有明显的弹性阶段和屈服阶段，难以有效判断试件的弹性模量和屈服极限；(3)试件在拉伸过程中的变形区域主要集中在螺栓连接附近，并非均匀分布在整支角钢的范围，因此不能直接采用角钢长度作为计算试件断后延伸率的主要变形区域长度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种输电铁塔角钢主节点拉伸试验数据处理方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种输电铁塔角钢主节点拉伸试验数据处理方法，包括以下具体步骤：

步骤1：绘制载荷-变形曲线；

步骤2：选取弹性阶段并进行线性拟合：将弹性阶段的数据拟合，得到弹性直线；

步骤3：确定滑移量：弹性线段延长至与横轴交点的横轴坐标即为输电铁塔角钢主节点拉伸时的滑移量；所述滑移量包括螺栓与角钢连接滑移以及孔壁挤压滑移；

步骤4：更新数据，绘制应力-应变曲线：包括以下具体步骤：

步骤4-1：将原始数据的变形量减去滑移量，更新为修正数据集；

步骤4-2：将修正数据集单位为千克的载荷数据，换算成单位为牛顿的力，然后除以输电铁塔角钢的净截面积，得到应力数据集；

步骤4-3：将修正数据集的变形量数据除以包钢的长度，得到应变数据集；

步骤4-4：根据应力数据集和应变数据集，绘制应力—应变曲线；

步骤5：计算屈服强度：根据钢结构中针对标准试件拉伸试验的σ_0.2原则，确定输电铁塔角钢的屈服强度大小；

步骤6：对输电铁塔角钢主节点拉伸试件进行有限元建模受力分析，确定主要变形区域长度：包括以下具体步骤；

步骤6-1：对输电铁塔角钢主节点拉伸试件进行有限元建模受力分析，得到其位移云图和应力云图；

步骤6-2：通过对位移云图和应力云图进行分析，确定角钢的主要变形区域长度；

步骤7：计算断后延伸率。

步骤2包括以下步骤：

步骤2-1：设置初始点t＝0；设置依次增大的第一至第三长度l₁-l₃；

步骤2-2：初始点t加1；以初始点为起点，分别取之后的l₁、l₂、l₃个点组成第一至第三组起始点数据；

步骤2-3：分别将第一至第三组起始点数据进行线性拟合，得出第一至第三起始点直线的斜率k₁-k₃；

步骤2-4：判断第一至第三起始点直线的斜率k₁-k₃之间的误差是否小于预设的误差极限，如果是，转向步骤2-5；否则，转向步骤2-2；

步骤2-5：将初始点t的数值作为弹性阶段的起始点；同时将初始点t的数值设置为终止点；

步骤2-6：终止点t加1；以终止点为起点，分别取之后的l₁、l₂、l₃个点组成第一至第三组终止点数据；

步骤2-7：分别将第一至第三组起始点数据进行线性拟合，得出第一至第三终止点直线的斜率kk₁-kk₃；

步骤2-8：判断第一至第三起始点直线的斜率k₁-k₃之间的误差是否小于预设的误差极限，如果是，转向步骤2-6；否则，转向步骤2-9；

步骤2-9：将终止点t的数值作为弹性阶段的终止点；

步骤2-10：将弹性阶段的数据进行线性拟合，得到弹性直线。

步骤7包括以下步骤：

步骤7-1：计算角钢的塑性变形量，即角钢断裂时的节点最大变形量-滑移量-弹性变形量，其中弹性变形量是弹性变形阶段的节点变形量，可由弹性阶段末端点处的变形量-起始点处的变形量计算得到；

步骤7-2：将角钢的塑性变形量除以角钢的主要变形区域长度，即为断后延伸率。

采用上述技术方案所取得的技术效果在于：本发明较好地规避滑移量对试验数据的影响，通过对试件的建模受力分析确定用于计算试件断后延伸率的主要变形区域长度，有效提高了实际结构中试件拉伸试验数据处理的效率和准确性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明的流程图；

图2为本发明中弹性阶段选取与滑移量计算的流程图；

图3为本发明中计算屈服强度的流程图；

图4为本发明中计算断后延伸率的流程图；

图5为本发明实施例中拉伸前的试件示意图；

图6为本发明实施例中拉断时的试件示意图；

图7为本发明实施例中输电铁塔角钢主节点拉伸时的载荷—变形量曲线；

图8为本发明实施例中输电铁塔角钢主节点拉伸试件的位移云图；

图9为本发明实施例中输电铁塔角钢主节点拉伸试件的应力云图；

图10为本发明实施例中螺栓连接的节点滑移模型曲线；

图11为本发明实施例中函数模型与试验结果数据对比；

图12为本发明实施例中函数模型的导数曲线。

具体实施方式

实施例1：

如图1-图4所示，一种输电铁塔角钢主节点拉伸试验数据处理方法，包括以下具体步骤：

步骤1：绘制载荷-变形曲线；

步骤2：选取弹性阶段并进行线性拟合：将弹性阶段的数据拟合，得到弹性直线；

步骤3：确定滑移量：弹性线段延长至与横轴交点的横轴坐标即为输电铁塔角钢主节点拉伸时的滑移量；所述滑移量包括螺栓与角钢连接滑移以及孔壁挤压滑移；

步骤4：更新数据，绘制应力-应变曲线：包括以下具体步骤：

步骤4-1：将原始数据的变形量减去滑移量，更新为修正数据集；

步骤4-2：将修正数据集单位为千克的载荷数据，换算成单位为牛顿的力，然后除以输电铁塔角钢的净截面积，得到应力数据集；

步骤4-3：将修正数据集的变形量数据除以包钢的长度，得到应变数据集；

步骤4-4：根据应力数据集和应变数据集，绘制应力—应变曲线；

步骤5：计算屈服强度：根据钢结构中针对标准试件拉伸试验的σ_0.2原则，确定输电铁塔角钢的屈服强度大小；

步骤6：对输电铁塔角钢主节点拉伸试件进行有限元建模受力分析，确定主要变形区域长度：包括以下具体步骤；

步骤6-1：对输电铁塔角钢主节点拉伸试件进行有限元建模受力分析，得到其位移云图和应力云图；

步骤6-2：通过对位移云图和应力云图进行分析，确定角钢的主要变形区域长度；

步骤7：计算断后延伸率。

步骤2包括以下步骤：

步骤2-1：设置初始点t＝0；设置依次增大的第一至第三长度l₁-l₃；

步骤2-2：初始点t加1；以初始点为起点，分别取之后的l₁、l₂、l₃个点组成第一至第三组起始点数据；

步骤2-3：分别将第一至第三组起始点数据进行线性拟合，得出第一至第三起始点直线的斜率k₁-k₃；

步骤2-4：判断第一至第三起始点直线的斜率k₁-k₃之间的误差是否小于预设的误差极限，如果是，转向步骤2-5；否则，转向步骤2-2；

步骤2-5：将初始点t的数值作为弹性阶段的起始点；同时将初始点t的数值设置为终止点；

步骤2-6：终止点t加1；以终止点为起点，分别取之后的l₁、l₂、l₃个点组成第一至第三组终止点数据；

步骤2-7：分别将第一至第三组起始点数据进行线性拟合，得出第一至第三终止点直线的斜率kk₁-kk₃；

步骤2-8：判断第一至第三起始点直线的斜率k₁-k₃之间的误差是否小于预设的误差极限，如果是，转向步骤2-6；否则，转向步骤2-9；

步骤2-9：将终止点t的数值作为弹性阶段的终止点；

步骤2-10：将弹性阶段的数据进行线性拟合，得到弹性直线。

步骤7包括以下步骤：

步骤7-1：计算角钢的塑性变形量，即角钢断裂时的节点最大变形量-滑移量-弹性变形量，其中弹性变形量是弹性变形阶段的节点变形量，可由弹性阶段末端点处的变形量-起始点处的变形量计算得到；

步骤7-2：将角钢的塑性变形量除以角钢的主要变形区域长度，即为断后延伸率。

本实施例中，第一至第三组终止点数据长度l₁、l₂、l₃分别为5,10,20，第一至第三起始点直线的斜率kk₁-kk₃之间的误差极限和第一至第三终止点直线的斜率kk₁-kk₃之间的误差极限均为0.03。

如图5所示，试件为输电铁塔角钢主节点拉伸试验结构，上角钢长度为L1，下角钢长度为L2；包钢长度为L3，试件原总长度为L4。如图6所示，试件拉断时总长度为L4’，断口区域位于角钢与包钢连接处，且角钢变形也主要发生在角钢与包钢的螺栓连接处。如图7所示，Ⅰ代表滑移阶段，Ⅱ代表弹性阶段，Ⅲ代表近似的屈服阶段以及硬化阶段，Ⅳ代表颈缩阶段。由于应力-应变曲线没有明显的屈服点，因此根据钢结构中针对标准试件拉伸试验的σ_0.2原则，确定输电铁塔角钢屈服强度的大小。试件的拉伸总变形量是试件断裂后较其初始状态的某节点的绝对位移，包含滑移量、弹性变形以及塑性变形；弹性变形是可逆的过程，待载荷消失后，弹性变形又自动恢复，而塑性变形则是不可逆的永久变形，因此用于计算输电铁塔角钢断后延伸率的断后伸长量应该在总伸长量的基础上减去滑移量和弹性变形量；通过对多组结构进行建模受力分析，由图8中可知：试件的节点变形主要发生在由包钢包裹的角钢局部A处，而试件的上下两端几乎没有发生节点变形。由图9中可知角钢的应力集中区域主要是在与包钢端部相连接的角钢附近，即区域B和C处，而角钢其他部分的应力仅为区域B和C的几分之一，变形较区域B和C极小；通过对模型的处理与测量，发现区域B和C的长度之和约为包钢长度的0.3倍，因此将包钢长度的0.3倍作为计算试件断后延伸率的主要变形区域长度，再根据断后延伸率的计算公式计算试件断后延伸率。

图10至图12以证明本实施例的精度明显提高。本方法采用前人提出的一种螺栓连接的节点滑移模型，该模型将螺栓滑移的载荷-位移曲线分离为滑动曲线与变形曲线两条曲线，而实际载荷-位移曲线是两条曲线在位移上的叠加，如图10所示。

变形过程的载荷-位移曲线函数表达式为：

式中P为载荷值，Δ₁为该载荷下的位移；P_y为屈服载荷，δ_y为与之对应的变形量；α和N为曲线的形状参数，α控制的是屈服点后曲线弯曲的平滑程度，而N影响的是屈服后弯曲线再往后直线部分的倾斜趋势。

滑动过程的载荷-位移曲线函数表达式为：

式中P为载荷值，Δ₂为此载荷下的位移。P_S为滑动载荷，δ₀为滑移量，即初始安装螺栓孔间隙量；m和n同样为形状参数，分别控制曲线滑移段左右两侧的曲线形状。

由此确定节点滑移的载荷-位移方程为：

由于试验得到的载荷—变形曲线没有明显的弹性阶段和屈服阶段，在用上述方程拟合时，P_y、δ_y和P_S难以确定，必须通过不断地调整数据以及繁琐的重复计算才能得到近似的拟合函数，因此不能大规模使用该函数模型处理试验数据，只能实现几次代表性的函数拟合，用于检测本方法的精确度。

根据上述方程，不断调整其中各个变量，最后将其中一组试验数据拟合为基于上述方程的函数模型，如图11所示。由图11中可知，该模型在A点以前的拟合程度较好，超过A点后误差逐渐增大。虽然无法直接判断该函数的弹性阶段，但是A点明显处于曲线的弹性阶段之后，因此利用此函数可以较好地实现曲线弹性阶段的拟合。对该函数进行求导，并绘制出该函数的导数曲线，如图12所示。由于载荷—变形曲线的弹性阶段为一条直线，因此弹性阶段的导数曲线应该近似是一条水平线，所以需要在图12中找到一段斜率近似为水平直线的区域。由图示中明显看出D阶段近似为一条水平直线，因此可以将D阶段作为曲线的弹性阶段，并取D阶段所有斜率的均值作为载荷—变形曲线中弹性阶段的斜率。

根据已知的试件长度和净截面积，计算该试件的弹性模量E₁＝46.3GPa；根据本发明所述的处理方法，计算该试件的弹性模量E₂＝47.2GPa；得出二者误差为：

在拉伸试验数据处理的过程中，最重要就是确定弹性阶段以及该阶段的斜率，由于二者误差仅为1.94％，因此可以认为该处理方法能够满足精度要求。

本发明公开的数据处理方法，其基于确定弹性阶段的选取、剔除滑移量影响、重新绘制应力—应变曲线和通过建模受力分析确定主要变形区域长度的处理流程，规范了试件重要力学性能参数的计算与获取方法，同时也在使用过程中更加简单高效。

以上所述只是本发明较佳的实施方式，但本发明的保护范围并不仅限于此，凡是在本发明的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。

Claims (2)

1.一种输电铁塔角钢主节点拉伸试验数据处理方法，其特征在于：包括以下具体步骤：

步骤1：绘制载荷-变形曲线；

步骤2：选取弹性阶段并进行线性拟合：将弹性阶段的数据拟合，得到弹性直线；

步骤3：确定滑移量：弹性线段延长至与横轴交点的横轴坐标即为输电铁塔角钢主节点拉伸时的滑移量；所述滑移量包括螺栓与角钢连接滑移以及孔壁挤压滑移；

步骤4：更新数据，绘制应力-应变曲线：包括以下具体步骤：

步骤4-1：将原始数据的变形量减去滑移量，更新为修正数据集；

步骤4-2：将修正数据集单位为千克的载荷数据，换算成单位为牛顿的力，然后除以输电铁塔角钢的净截面积，得到应力数据集；

步骤4-3：将修正数据集的变形量数据除以包钢的长度，得到应变数据集；

步骤4-4：根据应力数据集和应变数据集，绘制应力—应变曲线；

步骤5：计算屈服强度：根据钢结构中针对标准试件拉伸试验的σ_0.2原则，确定输电铁塔角钢的屈服强度大小；

步骤6：对输电铁塔角钢主节点拉伸试件进行有限元建模受力分析，确定变形区域长度：包括以下具体步骤；

步骤6-1：对输电铁塔角钢主节点拉伸试件进行有限元建模受力分析，得到其位移云图和应力云图；

步骤6-2：通过对位移云图和应力云图进行分析，确定角钢的变形区域长度；

步骤7：计算断后延伸率；

步骤2包括以下步骤：

步骤2-1：设置初始点t＝0；设置依次增大的第一至第三长度l1-l3；

步骤2-2：初始点t加1；以初始点为起点，分别取之后的l1、l2、l3个点组成第一至第三组起始点数据；

步骤2-3：分别将第一至第三组起始点数据进行线性拟合，得出第一至第三起始点直线的斜率k1-k3；

步骤2-4：判断第一至第三起始点直线的斜率k1-k3之间的误差是否小于预设的误差极限，如果是，转向步骤2-5；否则，转向步骤2-2；

步骤2-5：将初始点t的数值作为弹性阶段的起始点；同时将初始点t的数值设置为终止点；

步骤2-6：终止点t加1；以终止点为起点，分别取之后的l1、l2、l3个点组成第一至第三组终止点数据；

步骤2-7：分别将第一至第三组终止点数据进行线性拟合，得出第一至第三终止点直线的斜率kk1-kk3；

步骤2-8：判断第一至第三终止点直线的斜率kk1-kk3之间的误差是否小于预设的误差极限，如果是，转向步骤2-6；否则，转向步骤2-9；

步骤2-9：将终止点t的数值作为弹性阶段的终止点；

步骤2-10：将弹性阶段的数据进行线性拟合，得到弹性直线。

2.根据权利要求1所述的输电铁塔角钢主节点拉伸试验数据处理方法，其特征在于：步骤7包括以下步骤：

步骤7-1：计算角钢的塑性变形量，即角钢断裂时的节点最大变形量-滑移量-弹性变形量，其中弹性变形量是弹性变形阶段的节点变形量，可由弹性阶段末端点处的变形量-起始点处的变形量计算得到；

步骤7-2：将角钢的塑性变形量除以角钢的变形区域长度，即为断后延伸率。

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