CN112651089B - 一种弯剪金属构件混合强化恢复力模型与参数确定方法 - Google Patents

一种弯剪金属构件混合强化恢复力模型与参数确定方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112651089B
CN112651089B CN202011365659.9A CN202011365659A CN112651089B CN 112651089 B CN112651089 B CN 112651089B CN 202011365659 A CN202011365659 A CN 202011365659A CN 112651089 B CN112651089 B CN 112651089B
Authority
CN
China
Prior art keywords
post
yield
model
restoring force
web
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202011365659.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112651089A (zh
Inventor
尹文汉
孙飞飞
金华建
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tongwu Shanghai Construction Technology Co ltd
Tongji University
Original Assignee
Tongwu Shanghai Construction Technology Co ltd
Tongji University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tongwu Shanghai Construction Technology Co ltd, Tongji University filed Critical Tongwu Shanghai Construction Technology Co ltd
Publication of CN112651089A publication Critical patent/CN112651089A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112651089B publication Critical patent/CN112651089B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/17—Mechanical parametric or variational design
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
    • G06F2111/10—Numerical modelling
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

本发明提出一种构件恢复力模型以及参数确定方法。此恢复力模型是基于材料的混合强化本构模型(物理方程)，并利用构件的几何方程、平衡方程、边界条件推导得到构件恢复力模型。采用合强化模型对材料的等向强化与随动强化予以描述。在腹板屈服前采用整体计算模型；在腹板屈服后，认为腹板受纯剪切，而两翼缘单独受弯；腹板与翼缘的相互作用通过屈服后刚度修正系数予以修正.采用正交试验等参数方法拟合得确定其屈服后刚度修正系数。屈服后刚度修正系数地公式，用构件长度比表示。

Description

一种弯剪金属构件混合强化恢复力模型与参数确定方法
技术领域
本发明涉及一种弯剪金属构件混合强化恢复力模型与参数确定方法，属于结构工程与计算机辅助设计领域。
背景技术
材料层面的应力应变关系的数学模型也称作本构模型；构件层面的力-位移关系也称作恢复力模型。本构模型与恢复力模型是结构工程中的重要概念，基于材料或者构件层面力学行为的数学模型，才能进一步地描述对于构件在结构系统中相应工况下的受力行为，从而进一步的分析计算优化结构设计。在结构工程中最常用的金属构件，一般从以下三个方面来建立数学模型对其力学模型进行描述：(1)材料本身的力学行为与数学描述；(2)构件层面宏观力学现象与数学描述(恢复力模型)，而这其中的参数通过简化公式推算、试验、参数分析拟合等方式确定；(3)材料的本构模型(物理方程)+几何方程+平衡方程+边界条件推导得到构件恢复力模型。当计算资源无限、建模时间容许(计费)的情况下，工程师与研究人员可以基于材料本构模型建立详细的模型去做分析，得到尽可能准确的分析结果。但更多的情况是计算资源有限，所以许多时候还是要用基于宏观力学现象的恢复力模型与简化分析。
发明内容
目前结构工程中描述金属构件恢复力模型的方法主要存在以下失真问题：
(1)强化描述不准确。这里的“强化”是指构件屈服后，力随加载量而增加的现象，还可以区分为单调加载与循环加载情况下的差异。强化的来源有多种。一方面，是材料本身的特点带来的，例如强度相对较高的钢材例如Q235、Q345甚至以上等钢材表现出来的是随动强化的特点；而低屈服点钢材例如LY100表现出明显的混合强化现象，并且等向强化部分特点突出。另一方面，是构件的构造形式带来，例如一根耗能梁或者剪切阻尼器或者钢板墙，由于其弯剪受力的特征，其翼缘或者边缘构件将对构件的屈服后刚度有较大贡献。宏观上就表现为“强化"。此外，还与加载历史相关。在加载过程中先加大位移还是先加小位移，也会表现出不一样的强化特性，这个“与加载历史相关”的特点是由于很多材料本身的硬化存在所谓的"最大历史应变记忆"效应，而构件的弯剪受力特征也使得构件的最大出力与最大加载位移相关，所以是一个材料与构件的综合影响。
(2)屈服描述不准确。在实际许多的恢复模型也都有一个“屈服点”的概念。但是，由于材料本身的随动强化特点以及许多构件进入屈服是“逐渐地”，表现滞回曲线上是一个弧形的“屈服段”，而不是屈服点。目前工程领域往往不得已采用较为粗糙的力学模型，这以金属减震设计为代表的结构设计、产品设计、试验验收标准制定与执行带来了较大的困难。例如在设计阶段不得已采用不能准确描述强化与屈服的简化模型，进而无法准确的计算耗能与阻尼，也无法较为准确的估计极限承载力导致“强节点弱构件”设计遇到操作层面的困难；也导致规范制定时无法形成较为准确又可操作的定量验收标准。
为解决上述技术问题本发明的构思是构建一种基于材料层面本构参数的构件恢复力模型以及参数确定方法。其特征在于，将弯剪金属构件的剪力分解为腹板与翼板的贡献叠加，基于材料层面的本构参数推导得到构件层面的恢复力模型，基于正交数值模拟方法标定恢复力模型的参数指标。
特别地，采用chaboche混合强化模型对材料的等向强化与随动强化予以描述。
特别的，对于工字形截面在不同的状态下采用如下简化计算模型：在腹板屈服前采用整体计算模型；在腹板屈服后，认为腹板受纯剪切，而两翼缘单独受弯；腹板与翼缘的相互作用通过屈服后刚度修正系数予以修正；
进一步地，采用正交试验等参数方法拟合得确定其屈服后刚度修正系数。
进一步地，屈服后刚度修正系数地确定方法为：首先，用未修正的公式计算得到屈服后刚度；而后，利用基于材料混合强化模型的参数进行正交数值模拟分析，得到构件屈服后刚度(数值模拟法)；取数值模拟得到的屈服后刚度与未修正公式得到屈服后刚度的比值为屈服后刚度比修正系数；最后，拟合得到屈服后刚度修正系数的公式；
进一步地，屈服后刚度修正系数的公式，用构件长度比表示，即拟合构件长度比与屈服后刚度系数地关系
本发明的与现有技术相比较，具有如下显而易见的实质性特点和优点：
(1)以往常用的构件模型只能基于大量的构件试验标定恢复力模型参数，并不能用于预测不同材料与不同几何尺寸构件的力学行为，因而并不能指导设计。本发明提出的方法基于材料的混合强化模型与力学推导得到构件的恢复力模型，可直接通过材料的混合强化模型(例如chaboche模型)与构件的几何尺寸直接推导得到构件的力位移关系。这意味着对于任意的材料与几何尺寸，通过本方法都可以建立起相应的构件层面混合强化模型。并基于此模型直接指导结构设计与构件设计。
(2)由于本发明提出的构件恢复力模型中包含有材料恢复力模型参数，因此可以考虑材料混合强化、弯曲剪切成分导致的渐近屈服过程，也可以考虑材料硬化受加载历史的影响。
(3)过去需要利用考虑材料混合强化的实体单元与壳单元才能描述的构件力学行为，通过本文提出的模型用一个连接单元就可以予以准确描述。避免了壳单元与实体单元需要划分众多单元导致的巨大计算量。
(4)本发明提出的方法通过一个连接单元就可以考虑翼缘与腹板采用不同材料时的力学行为计算，解决了一般的梁单元不能考虑例腹板与翼源采用不同材料制作的金属构件(例如剪切型阻尼器，金属耗能连梁等)的计算分析。
附图说明
图1为工字形截面的弯曲剪切构件
图2为工字形截面的弯曲剪切构件的分解
图3为实施例1根据正交数值模拟得到力-位移关系
图4为根据此力位移关系拟合得到屈服后刚度修正系数与长度比的关系
图5为根据本发明增量形式的恢复力模型实现流程
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
实施方式1：对于工字形截面如图1所示，采用如图2所示的简化计算模型。可推导得 到全量形式的剪力位移关系如下式所示
Figure BDA0002805360800000031
Figure BDA0002805360800000032
为弹性状态的刚度，其中剪切刚度
Figure BDA0002805360800000033
弯曲刚度为
Figure BDA0002805360800000034
屈服后刚度为
Figure BDA0002805360800000035
对于
Figure BDA0002805360800000036
的shear links,Fy＝Vp其中Vp＝0.58×Ryw×fyw×tw×hw，
α(εp1)是混合强化模型的背应力函数，代表了混合强化模型的随动强化部分。本文根据参考文献将背应力取值为四个。
Figure BDA0002805360800000037
因此，
Figure BDA0002805360800000041
Ck与γk是材料背应力函数的参数，由材料试验拟合得到。
值得注意的是，对应于混合强化模型的等向强化部分σ0，如下式
Figure BDA0002805360800000042
可将σ0计入了累计塑性应变后取代屈服力公式中的Ryw×fyw用于计算Vp，从而将力位移关系中计入等向强化的因素。当取σ 0＝σ|0+Q∞时，可以得到相应转角幅值下的最大端部剪力。
可采用采用如下的L16(45)正交表，分别作数值模拟
表-1正交表
Figure BDA0002805360800000043
得到图3所示的力位移关系
根据此力位移关系拟合得到屈服后刚度修正系数与长度比的关系如图4
实施方式2：基于实施方式1，将其改写为增量形式
Figure BDA0002805360800000044
其中
Figure BDA0002805360800000045
Figure BDA0002805360800000046
Figure BDA0002805360800000047
并可根据下图5的计算流程计算构件在任意加载历史下的力位移关系
其中
Figure BDA0002805360800000048
为用力表征的屈服面半径的增量
Kin +是正向加载时因为材料随动强化而发生的平移部分，正向加载时的平移量为
Figure BDA0002805360800000051
相应的，此时若反向加载，根据包辛格效应,另一个方向的屈服力为
Figure BDA0002805360800000052
同理，Kin-是因为反向加载时材料随动强化而发生的平移部分，反向加载时
Figure BDA0002805360800000053
相应的，此时若反向加载，根据包辛格效应,另一个方向的屈服位移为
Figure BDA0002805360800000054
上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的创造的目的做出多种变化，凡依据本技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合用于本发明旋转剪切阻尼器的结构和构造原理，都属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种弯剪金属构件混合强化恢复力模型与参数确定方法，其特征在于，将弯剪金属构件的剪力分解为腹板与翼板的贡献叠加，基于材料层面的本构参数推导得到构件层面的恢复力模型，基于正交数值模拟方法标定恢复力模型的参数指标；
采用chaboche混合强化模型对材料的等向强化与随动强化予以描述；
对于工字形截面在不同的状态下采用如下简化计算模型：在腹板屈服前采用整体计算模型；在腹板屈服后，认为腹板受纯剪切，而两翼缘单独受弯；腹板与翼缘的相互作用通过屈服后刚度修正系数予以修正；
屈服后刚度修正系数的确定方法为：首先，用未修正的公式计算得到屈服后刚度；而后，利用基于材料混合强化模型的参数进行正交数值模拟分析，得到构件屈服后刚度；取数值模拟得到的屈服后刚度与未修正公式得到屈服后刚度的比值为屈服后刚度比修正系数；最后，拟合得到屈服后刚度修正系数的公式。
2.根据权利要求1所述的一种弯剪金属构件混合强化恢复力模型与参数确定方法，其特征在于，屈服后刚度修正系数的公式，用构件长度比表示，即拟合构件长度比与屈服后刚度系数的关系。
CN202011365659.9A 2020-08-27 2020-11-28 一种弯剪金属构件混合强化恢复力模型与参数确定方法 Active CN112651089B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010891839 2020-08-27
CN2020108918394 2020-08-27

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112651089A CN112651089A (zh) 2021-04-13
CN112651089B true CN112651089B (zh) 2022-05-13

Family

ID=75349675

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011365659.9A Active CN112651089B (zh) 2020-08-27 2020-11-28 一种弯剪金属构件混合强化恢复力模型与参数确定方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112651089B (zh)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013042600A1 (ja) * 2011-09-19 2013-03-28 日本電気株式会社 Chabocheモデルを用いた応力－ひずみ関係シミュレーション方法、応力－ひずみ関係シミュレーションシステム、応力－ひずみ関係シミュレーションプログラム
CN107908894A (zh) * 2017-11-29 2018-04-13 国网河南省电力公司经济技术研究院 一种钢筋沥青隔震层恢复力模型确定方法
CN109885980B (zh) * 2019-03-29 2021-02-09 中南大学 基于应力差确定屈服点的节理剪切全过程损伤本构模型
CN110348055B (zh) * 2019-06-11 2021-01-08 南京航空航天大学 Chaboche粘塑性本构模型材料参数获取与优化方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN112651089A (zh) 2021-04-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Dall’Asta et al. Non-linear analysis of composite beams by a displacement approach
Fei et al. A novel analysis method for damping characteristic of a type of double-beam systems with viscoelastic layer
Gara et al. Simplified method of analysis accounting for shear-lag effects in composite bridge decks
CN116029041B (zh) 大宽跨比飞机荷载桥梁荷载横向分布计算方法
CN110852012A (zh) 轴压加筋板极限强度预测方法
Shanmugam et al. Design for openings in cold-formed steel channel stub columns
Pantò et al. A smart displacement based (SDB) beam element with distributed plasticity
Chiorean A computer method for moment-curvature analysis of composite steel-concrete cross-sections of arbitrary shape
CN112651089B (zh) 一种弯剪金属构件混合强化恢复力模型与参数确定方法
Mirambell et al. Web buckling of tapered plate girders
Kishi et al. Effective length factor of columns in flexibly jointed and braced frames
Haffar et al. On the buckling of longitudinally stiffened plates, part 2: Eurocode-based design for plate-like behaviour of plates with closed-section stiffeners
Limkatanyu et al. Nonlinear Winkler-based beam element with improved displacement shape functions
Epstein et al. Finite element studies for correlation with block shear tests
Abdella An explicit stress formulation for stainless steel applicable in tension and compression
Ovesy et al. Geometric non-linear analysis of thin flat plates under end shortening, using different versions of the finite strip method
Lin et al. A Multiscale Modeling and Updating Framework for Suspension Bridges Based on Modal Frequencies and Influence Lines
Liguori et al. A layer-wise plasticity-based approach for the analysis of reinforced concrete shell structures using a mixed finite element
CN110427632A (zh) 一种钢板混凝土剪力墙墙肢配筋设计方法
Fu et al. Behaviour of corroded circular steel tube strengthened with external FRP tube grouting under eccentric loading: Numerical study
Yilmaz Loss of Stability of Thin-Walled Conical Shells with Circumferential Ring Loaded by Axial Force
Skrinar Transverse Displacements of Transversely Cracked Beams with a Linear Variation of Width Due to Axial Tensile Forces
Shuraim et al. A new design methodology for the ultimate capacity of slender prestressed concrete columns
Choo Advanced inelastic analysis for the design of tubular structures
Czepiżak Innovative Look at the ‘General Method’of Assessing Buckling Resistance of Steel Structures

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant