CN111783256A - 基于微观尺度的轴心受拉构件的设计方法及轴心受拉构件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微观尺度的轴心受拉构件的设计方法及轴心受拉构件首先根据材料实际的种类和外界环境确定宏观颗粒体的尺寸；然后确定Morse势函数参数；接着建立微观结构模型，建立细观结构模型，建立宏观结构模型；最后获取轴心受拉构件厚度的最小值；本发明对现有的材料强度计算方法进行了补充，从本质上进行分析材料变形与破坏的原因。基于这种设计方法的设计更精确，可以大大的节约成本。

Description

基于微观尺度的轴心受拉构件的设计方法及轴心受拉构件

技术领域

本发明属于分子动力学分析技术领域，涉及一种轴心受拉构件的设计方法及轴心受拉构件，具体涉及一种在研究材料内部细微结构组成及力的作用效果的基础上对受拉钢板进行设计的方法及轴心受拉构件。

背景技术

现有的钢结构设计原理都是通过试验所得，在采用时多根据经验。没有从材料本质的微观组成和性能进行考虑，对钢结构理论中常遇到的稳定性问题、疲劳问题、低温冷脆以及焊接残余应力都没有成熟的微观本质解释,这种不考虑工作环境因素对结构设计影响是不足的，设计精度远远不足。

专利“一种基于多尺度分析的受压钢板的设计方法(ZL 2015 1 0565815.9)”虽然提出了一种模型，但是该专利中微观单元体之间的相互作用采用的是L-J势，然而L-J势主要是用来描述分子之间的相互作用力，这里用来模拟铁原子之间的相互作用并不合理。该专利中使用滚轴来实现剪切滑移，但是滚轴的位移有限，并不能对弹塑性阶段和塑性阶段进行很好的模拟。该专利中建立的微观模型在受到力的作用后就会产生塑性变形，即滚轴移动。然而，现实情况是晶体骨架在达到一定的应力状态(如屈服应力)后才会产生塑性变形，这里用滚轴来模拟塑性变形并不合适。该专利中建立的宏观模型的抗拉强度在各个方向上并不一样，然而，现实情况是大部分材料都是各向同性的。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于微观尺度的轴心受拉构件的设计方法及轴心受拉构件，从多层面来研究受拉钢板的性能强度，在此基础上对受拉钢板进行模拟分析和设计。

本发明所采用的技术方案是：一种基于微观尺度的轴心受拉构件的设计方法，其特征在于：利用Morse势函数建立微观结构模型来模拟钢结构材料内部原子的相互作用；

具体实现包括以下步骤：

步骤1：根据材料实际的种类和外界环境确定宏观颗粒体的尺寸；

步骤2：确定Morse势函数参数，包括立方体颗粒的边长l(单位mm)，立方体颗粒之间的相互作用力f_ij(单位N)，两个立方体颗粒中心的距离r_ij(单位

)，平衡结合长度r_o(单位

)，平衡结合能ε(单位eV)，逆长度因子α(单位

)，两个立方体颗粒间的弹簧达到屈服强度时之间的距离r₁(单位mm)，(单位mm)，两个立方体颗粒间的弹簧达到其抗拉强度时之间的距离r₂(单位mm)，立方体颗粒间的引力达到最大时之间的距离r_m(单位mm)，两个立方体颗粒之间的弹簧的弹性系数

(单位N/mm)，两个立方体颗粒间的弹簧的屈服强度

(单位N/mm)，两个立方体颗粒间的弹簧的抗拉强度

(单位N/mm)，宏观颗粒体的长a(单位mm)，宏观颗粒体的宽b(单位mm)，宏观颗粒体的高c(单位mm)，钢板的长L(单位mm)，钢板的宽W(单位mm)，钢板的厚度t(单位mm)，与板面平行的荷载设计值(单位N)；

步骤3：建立微观结构模型；

所述微观结构模型由两个微观颗粒组成，颗粒之间的相互作用由滑块和弹簧来模拟；颗粒的长度为l，颗粒之间的相互作用采用Morse势，由此得颗粒之间的相互作用力为：

式中的参数η_ij、α₀是无因次量；

α₀＝αr₀； (3)定义该模型中弹簧弹性常数的大小

由于金属晶体弹性变形量很小，可以将弹性常数定义为平衡位置r₀处的斜率，即：

假设颗粒间的距离为r_m时，颗粒间的引力达到最大时，则由f_ij′(r_m)＝0得：

假设当r₁＝β₁r_m时，两个颗粒间的弹簧达到屈服强度

则：

假设当r₂＝r₁+β₂时，两个颗粒间的弹簧达到其抗拉强度

则：

步骤4：建立细观结构模型；

所述细观结构模型由若干微观结构模型按照两个相互垂直的方向排列；假设细观结构模型的长宽高分别为a、b和c；

在长度和宽度组成的平面内，并联的弹簧个数为：

在该平面内的抗拉强度为：

在长度和高度组成的平面内，并联的弹簧个数为：

在该平面内的抗拉强度为：

在宽度和高度组成的平面内，并联的弹簧个数为：

在该平面内的抗拉强度为：

步骤5：建立宏观结构模型(体积为1mm³)，长宽高均为1mm；

所述宏观结构模型由若干细观结构模型无规则排列组成；在每个平面内，并联的弹簧个数为：

其中，min{ab,ac,bc}为取三者中的最小值；

宏观结构模型的抗拉强度为：

步骤6：获取轴心受拉构件厚度的最小值；

已知钢板的长度、宽度和厚度分别为L、W和t；在板端与板中面平行的荷载设计值为Q时，为了保证钢板不发生强度破坏，应满足：

则，轴心受拉构件厚度t为：

其中，A表示板的横截面面积。

本发明还提供了一种颗粒之间的相互作用模拟装置，其特征在于：包括微观颗粒、弹簧、滑块；所述微观颗粒是由许多原子构成的一个整体；所述微观颗粒为两块，两块微观颗粒之间通过弹簧和滑块连接。

本发明还提供了一种轴心受拉构件，其特征在于：由上述方法制作而成。

针对现有技术，本发明带来的有益效果：

1.基于分子动力学原理，建立微观结构模型模拟材料在外力作用下的变形与破坏机制，更加精确的进行材料的设计，也大大节省的成本。

2.对现有的宏观的钢结构稳定理论进行了补充，提出结构构件设计的新方法。

3.利用微观、细观和宏观结构模型建立材料微观结构和性能的关系，进而从宏观尺度上对钢结构受力性能的劣化机制做出更好的解释。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图；

图2为本发明实施例的建立微观结构模型；

图3为本发明实施例的细观结构模型的尺寸；

图4为本发明实施例的细观结构模型体之间的相互作用示意图；

图5为本发明实施例的宏观结构模型图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1，本发明是一种基于微观尺度的轴心受拉构件的设计方法，采用基于Morse势函数描述钢结构材料内部各立方体颗粒的相互作用。首先根据材料实际的种类和外界环境确定宏观颗粒体的尺寸，其次确定Morse势函数相关的参数。以上相关的符号及其意义见表1；

表1符号及意义

基于以上定义，本发明的计算方法包括以下步骤：

步骤1：建立微观结构模型，如图2所示，其中1是微观颗粒、2是弹簧、3是滑块。微观颗粒可以看作是由许多原子构成的一个整体。微观颗粒1为两块，两块微观颗粒1之间通过弹簧2和滑块3连接。滑块(3)由具有一定的摩擦阻尼系数的元件组成，在弹簧达到一定的应力状态后才可以开动，即产生塑性变形。

步骤2：细观结构模型由多个微观结构模型按照两个相互垂直的方向排列，如图3所示；如图4所示，为本发明实施例的细观结构模型体之间的相互作用示意图。

步骤3：建立宏观结构模型(体积为1mm³)，长宽高均为1mm。如图5所示；宏观结构模型由大量细观结构模型无规则排列组成。

步骤4：已知钢板的长度、宽度和厚度分别为L、W和t；在板端与板中面平行的荷载设计值为Q时，计算其厚度t(单位mm)；由此建立宏观外力下，经过上述计算步骤得到钢板厚度的最小值。

在具体实施时：

1、根据材料的材质和环境的温度确定颗粒平衡半径r₀；利用公式(4)可以计算得到颗粒之间弹簧的弹性系数

利用公式(5)可以计算得到颗粒之间引力最大时的颗粒间距r_m；在此基础上可以求得两个颗粒间的弹簧达到屈服强度时的颗粒间距r₁、达到其抗拉强度时的颗粒间距r₂。

2、由公式(6)和(7)可分别求得两个颗粒间弹簧的屈服强度

和抗拉强度

3、细观结构模型的长宽高分别为a、b和c，它由多个微观结构模型按照两个相互垂直的方向排列构成，如图3所示。由公式(8)-(13)可以求得细观结构模型的各个平面内并联的弹簧个数和抗拉强度。

4、宏观结构模型由大量细观结构模型无规则排列组成，如图4所示。基于步骤3中的结果，可以求得宏观结构模型在每个平面内并联的弹簧个数和抗拉强度。

5、在板端与板中面平行的荷载设计值为Q时，利用公式(17)可以求得其厚度。由此建立宏观外力下，经过上述计算步骤得到钢板厚度的最小值。

本发明与现有钢结构设计方法的比较：

本实施例的钢板，钢材Q345，外界温度为常温(20℃)，与板中面平行的板端荷载设计值为Q＝520×10³N，长度L＝5.0m，宽度W＝400mm，长细比为60，试求板厚t。

(1)现有技术的宏观设计方法；

由强度计算：

可得：

t＞4.2mm； (19)

故可得板的厚度t＞4.2mm。

(2)本发明的设计方法；

已知：在环境温度为常温(20℃)下，材料材质为Fe的平衡半径为

离解能量为ε＝0.4172eV、逆长度因子

宏观颗粒体的尺寸为：a＝20μm、b＝10μm和c＝30μm；与微观颗粒体模型中两个颗粒之间的弹簧的屈服强度和抗拉强度有关的系数β₁和β₂分别均取值为0.8515和2.87×10^-10。求解：

两个颗粒之间的引力达到最大时，颗粒间的距离为：

两个颗粒之间的弹簧达到其屈服强度时，颗粒间的距离为：

r₁＝0.851r_m＝2.8474×10^-7mm； (21)两个颗粒间的弹簧达到其抗拉强度时，颗粒间的距离为：

r₂＝r₁+2.87×10^-10＝2.8493×10^-7mm； (22)

两个颗粒之间的弹簧的弹性系数：

两个颗粒间的弹簧达到其抗拉强度

宏观结构模型的抗拉强度为：

这里的抗拉强度的值均大于第一种方法中的Q345钢的屈服强度(345N/mm²)。为保证钢板有足够的强度，则：

故可得板的厚度t＞2.3mm。

比较上述两种方法可知，第二种设计方法更为精确。假设精度提高了δ，其计算公式如下：

所以，与第一种方法相比，第二种方法精度提高了45.2％。

本发明受外界因素的影响：

(1)大多数弹塑性金属材料由晶体骨架组成，这种骨架在受力后产生弹性变形，这里用弹簧来模拟弹性变形。晶体骨架在达到一定的应力状态(如屈服应力)后可立即产生塑性变形，这里用滑块来模拟弹性变形。当钢板中存在焊接残余应力和疲劳裂纹时，可以用细观颗粒体与细观颗粒体之间的部分弹簧断裂来模拟，即n将减小，由公式(17)可知，此时板厚t的值将增大。

(2)考虑外界因素影响，如焊接加工、疲劳裂纹、低温和动荷载等外界因素，其实质就是对上述颗粒间平衡间距r，

值，屈服强度等材料微观结构的影响，从而在宏观上表现出在上述因素影响下，钢结构受力性能的劣化做出更精确的解释。

本专利所提出的方法也可用于其他材料做成的板的设计，同时本专利的思路也可应用于其他形式构件的设计。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制。本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种基于微观尺度的轴心受拉构件的设计方法，其特征在于：利用Morse势函数建立微观结构模型来模拟钢结构材料内部原子的相互作用；

具体实现包括以下步骤：

步骤1：根据材料实际的种类和外界环境确定宏观颗粒体的尺寸；

步骤2：确定Morse势函数参数，包括立方体颗粒的边长l(单位mm)，立方体颗粒之间的相互作用力f_ij(单位N)，两个立方体颗粒中心的距离r_ij(单位

)，平衡结合长度r_o(单位

)，平衡结合能ε(单位eV)，逆长度因子α(单位

)，两个立方体颗粒间的弹簧达到屈服强度时之间的距离r₁(单位mm)，(单位mm)，两个立方体颗粒间的弹簧达到其抗拉强度时之间的距离r₂(单位mm)，立方体颗粒间的引力达到最大时之间的距离r_m(单位mm)，两个立方体颗粒之间的弹簧的弹性系数

(单位N/mm)，两个立方体颗粒间的弹簧的屈服强度

(单位N/mm)，两个立方体颗粒间的弹簧的抗拉强度

(单位N/mm)，宏观颗粒体的长a(单位mm)，宏观颗粒体的宽b(单位mm)，宏观颗粒体的高c(单位mm)，钢板的长L(单位mm)，钢板的宽W(单位mm)，钢板的厚度t(单位mm)，与板面平行的荷载设计值(单位N)；

步骤3：建立微观结构模型；

所述微观结构模型由两个微观颗粒组成，颗粒之间的相互作用由滑块和弹簧来模拟；颗粒的长度为l，颗粒之间的相互作用采用Morse势，由此得颗粒之间的相互作用力为：

式中的参数η_ij、α₀是无因次量；

α₀＝αr₀；

定义该模型中弹簧弹性常数的大小

将弹性常数定义为平衡位置r₀处的斜率，即：

假设颗粒间的距离为r_m时，颗粒间的引力达到最大时，则由f_ij′(r_m)＝0得：

假设当r₁＝β₁r_m时，两个颗粒间的弹簧达到屈服强度

则：

假设当r₂＝r₁+β₂时，两个颗粒间的弹簧达到其抗拉强度

则：

步骤4：建立细观结构模型；

所述细观结构模型由若干微观结构模型按照两个相互垂直的方向排列；假设细观结构模型的长宽高分别为a、b和c；

在长度和宽度组成的平面内，并联的弹簧个数为：

在该平面内的抗拉强度为：

在长度和高度组成的平面内，并联的弹簧个数为：

在该平面内的抗拉强度为：

在宽度和高度组成的平面内，并联的弹簧个数为：

在该平面内的抗拉强度为：

步骤5：建立宏观结构模型；

所述宏观结构模型由若干细观结构模型无规则排列组成；在每个平面内，并联的弹簧个数为：

其中，min{ab,ac,bc}为取三者中的最小值；

宏观结构模型的抗拉强度为：

步骤6：获取轴心受拉构件厚度的最小值；

已知钢板的长度、宽度和厚度分别为L、W和t；在板端与板中面平行的荷载设计值为Q时，为了保证钢板不发生强度破坏，应满足：

则，轴心受拉构件厚度t为：

其中，A表示板的横截面面积。

2.一种颗粒之间的相互作用模拟装置，其特征在于：包括微观颗粒(1)、弹簧(2)、滑块(3)；所述微观颗粒(1)是由许多原子构成的一个整体；所述微观颗粒(1)为两块，两块微观颗粒(1)之间通过弹簧(2)和滑块(3)连接。

3.根据权利要求2所述的颗粒之间的相互作用模拟装置，其特征在于：所述滑块(3)由具有一定的摩擦阻尼系数的元件组成，在弹簧达到一定的应力状态后才开动，产生塑性变形。

4.一种轴心受拉构件，其特征在于：由权利要求1所述方法制作而成。

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