CN118296735A - 电弧增材长柱钢管结构件实验装置及性能评估计算方法 - Google Patents
电弧增材长柱钢管结构件实验装置及性能评估计算方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN118296735A CN118296735A CN202410544350.8A CN202410544350A CN118296735A CN 118296735 A CN118296735 A CN 118296735A CN 202410544350 A CN202410544350 A CN 202410544350A CN 118296735 A CN118296735 A CN 118296735A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- steel pipe
- waam
- long
- column steel
- pipe structural
- 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.)
- Pending
Links
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 200
- 239000010959 steel Substances 0.000 title claims abstract description 200
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 title claims abstract description 40
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 title claims abstract description 36
- 239000000654 additive Substances 0.000 title claims abstract description 28
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 title claims abstract description 28
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 83
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 47
- 230000007547 defect Effects 0.000 claims abstract description 45
- 238000013461 design Methods 0.000 claims abstract description 42
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims abstract description 27
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 18
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims abstract description 13
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000003466 welding Methods 0.000 claims description 12
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 11
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 10
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 8
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 7
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 7
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 6
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 claims description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 6
- 238000007639 printing Methods 0.000 claims description 6
- 239000000741 silica gel Substances 0.000 claims description 6
- 229910002027 silica gel Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 238000011056 performance test Methods 0.000 claims description 5
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 5
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 5
- 239000003292 glue Substances 0.000 claims description 4
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims description 3
- 239000003973 paint Substances 0.000 claims description 3
- 238000005498 polishing Methods 0.000 claims description 2
- 238000000605 extraction Methods 0.000 abstract description 4
- 238000012805 post-processing Methods 0.000 abstract description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 abstract description 2
- 238000010998 test method Methods 0.000 abstract 1
- ROXBGBWUWZTYLZ-UHFFFAOYSA-N [6-[[10-formyl-5,14-dihydroxy-13-methyl-17-(5-oxo-2h-furan-3-yl)-2,3,4,6,7,8,9,11,12,15,16,17-dodecahydro-1h-cyclopenta[a]phenanthren-3-yl]oxy]-4-methoxy-2-methyloxan-3-yl] 4-[2-(4-azido-3-iodophenyl)ethylamino]-4-oxobutanoate Chemical compound O1C(C)C(OC(=O)CCC(=O)NCCC=2C=C(I)C(N=[N+]=[N-])=CC=2)C(OC)CC1OC(CC1(O)CCC2C3(O)CC4)CCC1(C=O)C2CCC3(C)C4C1=CC(=O)OC1 ROXBGBWUWZTYLZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000009471 action Effects 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 4
- 229910001209 Low-carbon steel Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910000963 austenitic stainless steel Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910001039 duplex stainless steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 229910000975 Carbon steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 239000010962 carbon steel Substances 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000013100 final test Methods 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 230000000750 progressive effect Effects 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 238000009864 tensile test Methods 0.000 description 1
- 230000007306 turnover Effects 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
- 210000002268 wool Anatomy 0.000 description 1
Landscapes
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
本发明涉及一种电弧增材长柱钢管结构件实验装置及性能评估计算方法，包括以下步骤：试件制备和几何测量；实验装置和测试方法；标准设计和性能评估。本发明的有益效果是：基于三维扫描、模型后处理、截面轮廓信息提取和缺陷偏差处理的过程，实现WAAM长柱钢管结构件的几何测量；通过液压加载长柱轴压实验装置的设计构造，结合非接触三维数字图像相关法为主、应变片和位移计联合法为辅的测试方法，实现WAAM长柱钢管结构件荷载‑挠度的测试以及极限承载力测试值的获取；通过现有标准设计式的适用性探讨和专业系数评估，实现WAAM长柱钢管结构件测试值的有效性评估和标准设计式预测值的准确性评估。
Description
技术领域
本发明属于结构工程和增材制造技术领域，尤其涉及一种电弧增材长柱钢管结构件实验装置及性能评估计算方法。
背景技术
电弧增材制造(WAAM)采用电弧作为热源熔化金属丝材，通过逐层沉积焊丝来打印金属结构件。在各类增材制造工艺中，WAAM具有较高的沉积速率、较低的设备和原料成本，且对工作场所和成形尺寸的限制较小，特别适用于建筑工程领域大型金属结构件的制造。
长柱钢管结构件是一种应用广泛的结构承载构件，一般是指长细比大于8的柱状钢管构件，包括长细比>30的长柱和长细比8～30的中长柱，对于圆管其对应高径比一般大于4。长柱钢管结构件可以单独承载使用，也可通过多根钢管连接后的协同承载来实现如塔架、网架等结构体系的整体承载。极限轴压承载状态下，长柱钢管结构件一般出现整体屈曲或整体-局部相关屈曲的情况；不同截面类型、高径比、径厚比和初始几何缺陷均会导致长柱钢管结构件出现不同的屈曲变形模式。长柱钢管结构件的轴压破坏模式和承载能力在不同的规范中有相关规定，包括欧洲规范EN-1993-1-4、美国规范AISC 370和中国规范GB50017等；这些规范中的设计式随着研究人员的最新研究而更新。
然而，由于WAAM打印结构件具有独特的材料性能和几何不规则性，现有钢结构规范中的设计式均是针对传统工艺制造长柱钢管结构件确定，对于WAAM打印长柱钢管结构件的几何特性和轴压承载性能，其是否适用是值得商榷的；因而有必要进行相关研究和归纳总结。在研究电弧增材长柱钢管结构件实验装置及性能评估计算方法的过程中，存在三个主要问题。首先，长柱钢管结构件的试件制备和几何测量的方法；其次，长柱钢管结构件的实验装置和性能测试的方法；第三，规范设计式的适用性和性能预测评估的方法。
综上所述，研究一种电弧增材长柱钢管结构件实验装置及性能评估计算方法，实现不锈钢、低碳钢等材质的WAAM长柱钢管结构件的几何特性测量以及轴压作用下的性能测试、缺陷影响、承载评估和应用设计是十分必要的。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种电弧增材长柱钢管结构件实验装置及性能评估计算方法。
这种电弧增材长柱钢管结构件实验装置的性能评估计算方法，包括以下步骤：
S1、试件制备和几何测量：切割WAAM板件制作WAAM标准试件；使用同种材料进行WAAM长柱钢管结构件打印，测量WAAM长柱钢管结构件的基本几何参数，并基于构件内外壁中心面上截面轮廓的质心连线最大偏差计算整体几何缺陷；
S2、实验装置和测试方法：通过拉伸实验获得WAAM标准试件的平均力学性能参数，通过轴压实验并测量获得WAAM长柱钢管结构件的荷载-挠度变化曲线，从而得到WAAM长柱钢管结构件的轴压承载性能和极限承载力测试值；
S3、标准设计和性能评估：分析WAAM长柱钢管结构件极限承载力与其长细比参数和整体几何缺陷的相关性，根据现有长柱钢管结构件标准，计算WAAM长柱钢管结构件极限承载力的标准设计值；计算WAAM长柱钢管结构件极限承载力的测试值和标准设计值的比值，评估现有长柱钢管结构件标准计算预测WAAM长柱钢管结构件的准确性。
作为优选，步骤S1中，建立WAAM长柱钢管结构件的数字三维模型，将WAAM长柱钢管结构件切割成多个截面且定义每个截面的规划路径，规划路径包括扫描方向和沉积方向，每层沿环向为扫描方向，相邻层沿轴向为沉积方向；采用电弧焊枪沿规划路径逐层扫描并沉积金属丝材形成WAAM长柱钢管结构件。
作为优选，步骤S1中，WAAM板件包括薄板和厚板两种，采用线切割在WAAM板件上分别沿与扫描方向夹角θ为0°、45°和90°制作三组WAAM标准试件；WAAM标准试件的表面不进行后处理，即保留WAAM工艺产生的表面起伏形貌。
作为优选，步骤S1中，测量WAAM长柱钢管结构件的基本几何参数具体为，WAAM长柱钢管结构件的外壁面采用非接触式三维激光扫描仪进行直接扫描；采用模具硅胶对WAAM长柱钢管结构件的内壁面进行灌胶并脱模获得内壁面几何形貌的复制品，然后对硅胶模型外表面进行扫描间接获得WAAM长柱钢管结构件的内壁面；最后将外壁面和内壁面的几何模型进行整合，得到WAAM长柱钢管结构件的完整几何模型，基本几何参数根据三维扫描获得间隔取样间距的一系列截面轮廓计算确定。
作为优选，步骤S1中，WAAM长柱钢管结构件的整体几何缺陷定义为实际几何参数与理想几何参数的偏差；沿纵向从WAAM长柱钢管结构件的完整几何模型中提取一组外壁和内壁截面轮廓，获得对应一组中心面截面轮廓，并计算其质心位置；将两个端部中心面截面轮廓的质心连接形成一条直线作为理想轴线；然后计算每个截面轮廓的质心并逐段连接形成连续多段线以作为实际轴线，将每个截面轮廓质心连接形成的实际轴线与理想轴线的偏差视为整体几何缺陷；记每个WAAM长柱钢管结构件所有方向中最大的整体几何缺陷程度的值为wg，将wg用WAAM长柱钢管结构件的长度L归一化。
作为优选，步骤S2中，WAAM标准试件的平均力学性能参数包括弹性模量E、屈服强度fy、极限抗拉强度fu、极限应变εu和失效应变εf；采用液压试验机对WAAM长柱钢管结构件进行轴压承载性能试验，将液压试验机上端的自锁球铰的所有自由度固定，WAAM长柱钢管结构件的上下两端均安装刀口，使WAAM长柱钢管结构件在屈曲平面内转动，将整体几何缺陷最大的方向与屈曲方向对齐；在WAAM长柱钢管结构件的两端焊接钢板，钢板和刀口之间采用螺栓连接；稳定性计算时的WAAM长柱钢管结构件计算长度等于顶部和底部刀口的尖端之间的距离，采用位移控制模式进行单调加载，维持加载速率恒定直至WAAM长柱钢管结构件破坏。
作为优选，步骤S2中，采用应变片和位移计联合法进行WAAM长柱钢管结构件的位移和应变测量，在WAAM长柱钢管结构件中部屈曲方向的两个对称位置进行抛光，并分别设置竖向应变片；在上端板和下端板分别设置两个位移计来测量上下端板的位移，在WAAM长柱钢管结构件中部横向设置位移计来测量WAAM长柱钢管结构件中部的横向挠度；荷载数据由试验机内部的测力单元采集，进而得到WAAM长柱钢管结构件的荷载-挠度变化曲线和极限承载力测试值。
作为优选，步骤S2中，采用非接触三维数字图像相关法进行WAAM长柱钢管结构件的位移和应变测量，在测试之前，在监测的区域用金属漆喷涂散斑图案，试验过程中DIC系统通过识别跟踪散斑图案来计算变形；荷载数据由试验机内部的测力单元采集，进而得到WAAM长柱钢管结构件的荷载-挠度变化曲线和极限承载力测试值；还可以通过非接触三维数字图像相关法得到的测量结果辅证应变片和位移计联合法的测量结果。
作为优选，步骤S3中，分析WAAM长柱钢管结构件极限承载力与其长细比参数和整体几何缺陷的相关性，评估几何尺寸和整体缺陷的影响；采用归一化后的抗压极限荷载Nu/(Aσ0.2)、长细比参数λ/εk和初始整体几何缺陷wg/L，评估指标参数Nu/(Aσ0.2)和λ/εk、Nu/(Aσ0.2)和wg/L之间的相关性；Nu为抗压极限载荷，A为平均截面积，σ0.2＝fy为屈服强度，λ/εk为WAAM长柱钢管结构件的长细比参数，wg/L为WAAM长柱钢管结构件的归一化整体几何缺陷；wg为表征最大整体几何缺陷程度的参数，L为WAAM长柱钢管结构件长度；
λ/εk的计算式为：
式中，λ为长细比；εk为钢号修正系数，其值为235与钢材牌号中屈服点数值的比值的平方根；Lcr为WAAM长柱钢管结构件的计算长度，其值等于WAAM长柱钢管结构件在其有效约束点间的几何长度与计算长度系数的乘积；i为截面回转半径。
作为优选，步骤S3中，将WAAM长柱钢管结构件极限承载力的测试值和标准设计值的比值定义为专业系数，以评估其计算预测能力；当专业系数平均值大于1时，则判断采用标准设计值进行WAAM长柱钢管结构件测试值的评估计算预测是保守和安全的。
本发明的有益效果是：
1)本发明提供的电弧增材长柱钢管结构件实验装置及性能评估计算方法，采用三步设计评估的逐步推进模式，第一步解决了WAAM长柱钢管结构件的试件制备和几何测量方法的问题；第二步解决了WAAM长柱钢管结构件的实验装置和性能测试方法的问题；第三步解决了标准设计式的适用性评估和WAAM长柱钢管结构件的承载性能预测评估方法的问题。
2)本发明基于三维扫描、模型后处理、截面轮廓信息提取和缺陷偏差处理的过程，实现WAAM长柱钢管结构件的几何测量；通过液压加载长柱轴压实验装置的设计构造，结合非接触三维数字图像相关法为主、应变片和位移计联合法为辅的测试方法，实现WAAM长柱钢管结构件荷载-挠度的测试以及极限承载力测试值的获取；通过现有标准设计式的适用性探讨和专业系数评估，实现WAAM长柱钢管结构件测试值的有效性评估和标准设计式预测值的准确性评估。
3)本发明提供的电弧增材长柱钢管结构件实验装置及性能评估预测方法，可有效实现不锈钢、低碳钢等材质的WAAM长柱钢管结构件的几何特性测量以及轴压作用下的性能测试、缺陷影响、承载评估和应用设计。
附图说明
图1是本发明电弧增材长柱钢管结构件实验装置及性能评估计算方法的具体流程图；
图2是WAAM标准试件的提取示意图；
图3是WAAM长柱钢管结构件的打印路径示意图；
图4a是WAAM长柱钢管结构件的扫描所得几何模型示意图；
图4b是WAAM长柱钢管结构件的截面轮廓及理想轴线示意图；
图5是WAAM长柱钢管结构件的整体几何缺陷(实际轴线与理想轴线的偏差)三维示意图；
图6是WAAM长柱钢管结构件的轴压实验装置及试件布局示意图；
图7是应变片和位移计联合法、非接触三维数字图像相关法测量获得WAAM长柱钢管结构件荷载-挠度曲线的对比示意图；
图8a是WAAM长柱钢管结构件的归一化抗压极限荷载与长细比的关系曲线；
图8b是WAAM长柱钢管结构件的归一化抗压极限荷载与整体几何缺陷的关系曲线；
图9a是WAAM长柱钢管结构件的轴压承载力实测值、有限元值和欧洲标准EN预测值的对比示意图；
图9b是WAAM长柱钢管结构件的轴压承载力实测值、有限元值和美国标准AISC预测值的对比示意图；
图9c是WAAM长柱钢管结构件的轴压承载力实测值、有限元值和中国标准GB预测值的对比示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
实施例一
作为一种实施例，如图1所示，这种电弧增材长柱钢管结构件实验装置的性能评估计算方法，包括以下步骤：
S1、试件制备和几何测量：包括长柱钢管结构件试件制备、长柱钢管结构件几何测量；测量WAAM长柱钢管结构件的基本几何参数，并基于构件内外壁中心面上截面轮廓的质心连线最大偏差计算整体几何缺陷；
长柱钢管结构件试件制备具体为：建立WAAM长柱钢管结构件的数字三维模型，将构件切割成多个截面且定义每个截面的规划路径，采用电弧焊枪沿规划路径逐层扫描并沉积金属丝材形成最终试件；焊丝为ER50-6碳钢焊丝、ER316L不锈钢焊丝等，设置焊丝力学性能和WAAM打印参数；
如图2所示，WAAM板件包括薄板、厚板两种，采用线切割在WAAM板件上分别沿与扫描方向夹角θ为0°、45°和90°制作三组WAAM标准试件；对WAAM标准试件进行拉伸试验，获取材料的平均力学性能参数；标准试件的表面不进行后处理，即保留WAAM工艺产生的表面起伏形貌。本实施例中，采用WAAM板件的厚板以避免局部屈曲出现，对应公称壁厚tnom为7mm。
如图3所示，WAAM长柱钢管结构件的规划路径中，包括扫描方向、沉积方向，每层沿环向为扫描方向，相邻层沿轴向为沉积方向；采用该规划路径进行打印较为便捷，且符合长柱钢管结构件轴向承载时的受力特性；
如图3所示，WAAM长柱钢管结构件的几何参数中，高径比H/D控制为不大于4.0，属于长柱或中长柱构件范畴，试件编号命名方式为CHS-H××-D××-T××，其中CHS表示圆形空心截面，H、D、T分别表示构件的公称高度、截面直径和壁厚；当同型号的构件有多个时，则在编号命名末尾增加对应数字号。本实施例中，共打印了7根长柱钢管结构件，保持公称壁厚为7mm不变，直径分别为100mm、200mm、250mm和300mm，高径比H/D为4.0～16.0。
如图1、图3所示，WAAM长柱钢管结构件的具体制造流程为：首先建立长柱钢管结构件的数字三维模型，并将其转化为STL(STereoLithography file)格式文件，进而在STL文件中将构件切割成多个截面且定义每个截面的规划路径，最后采用电弧焊枪沿规划路径逐层扫描和沉积金属丝材形成最终构件。本实施例中，采用ER316L不锈钢焊丝，WAAM打印的工艺参数如表1所示。
WAAM长柱钢管结构件的应用包括单独作为柱、杆、斜撑的轴压、拉承载结构件，也可通过多根钢管结构件连接后的协同承载来实现结构体系的整体承载。
表1WAAM打印的工艺参数
S2、实验装置和测试方法；包括长柱钢管结构件实验装置、长柱钢管结构件测试方法；
S2.1、长柱钢管结构件实验装置：通过拉伸实验获得WAAM标准试件的平均力学性能参数，通过轴压实验获得WAAM长柱钢管结构件的轴压承载性能；
WAAM标准试件的平均力学性能参数包括弹性模量E、屈服强度fy、极限抗拉强度fu、极限应变εu和失效应变εf；
S2.2、长柱钢管结构件测试方法：分别采用应变片和位移计联合法、非接触三维数字图像相关法(3D-DIC)进行位移、应变测量，验证比较两种方法的准确性和便捷性，进而得到构件荷载-挠度变化曲线和极限承载力测试值。
如图6所示，第一种，在构件中部屈曲方向的两个对称位置分别设置竖向应变片，在粘贴应变片前对局部区域进行抛光；在上端板和下端板分别设置两个位移计来测量上、下端板的位移，在构件中部横向设置位移计来测量构件中部的横向挠度。
如图6所示，第二种，采用了非接触式的三维数字图像相关法(3D-DIC)监测获得变形数据；DIC测得的数据将用于和位移计测得的数据进行相互对比验证；在测试之前，在DIC监测的区域用白色金属漆喷涂散斑图案，试验过程中DIC系统通过识别跟踪散斑图案来计算变形；变形数据由应变片、位移计和DIC采集，荷载数据由试验机内部的测力单元采集；本实施例中，采集频率均为10Hz。
如图7所示，本实施例中，两种方法的荷载-挠度曲线结果基本一致，其中第二种方法的数据处理更为简易，测试时还可以第二种方法为主、第一种方法为辅，获得挠度变形数据。
S3、标准设计和性能评估：包括长柱钢管结构件标准设计、长柱钢管结构件性能评估；分析WAAM长柱钢管结构件极限承载力与其长细比参数和整体几何缺陷的相关性，根据现有长柱钢管结构件标准，计算WAAM长柱钢管结构件极限承载力的标准设计值；计算WAAM长柱钢管结构件极限承载力的测试值和标准设计值的比值，评估现有长柱钢管结构件标准计算预测WAAM长柱钢管结构件的准确性。
实施例二
作为另一种实施例，本实施例二在实施例一的基础上提出，一种更具体的电弧增材长柱钢管结构件实验装置的性能评估计算方法。
步骤一中，长柱钢管结构件几何测量具体为：WAAM长柱钢管结构件的表面存在起伏形貌，传统测量方法无法得到准确和完整的几何特征，采用非接触式三维激光扫描仪进行歪比面的直接扫描和内壁面的灌胶翻模间接扫描测量以获得构件的基本几何参数，并基于构件外、内壁的中心面上截面轮廓的质心连线最大偏差来计算整体几何缺陷；
如图1、图4a所示，三维扫描和几何测量的流程如下：采用手持式三维扫描仪捕捉构件表面几何特征，生成STL格式几何模型；利用3D扫描数据处理软件对STL几何模型进行后处理；沿纵向提取构件截面轮廓，测量横截面尺寸，其中截面轮廓取样和信息提取采用编制程序实现；
如图3、图4a所示，对于WAAM长柱钢管结构件外壁面的几何形貌，采用手持式扫描仪直接扫描获得；对于WAAM钢管结构件内壁面的几何形貌，由于WAAM长柱钢管结构件的长度较长而无法直接扫描获得，采用模具硅胶对WAAM长柱钢管结构件的内壁面进行灌胶并脱模获得钢管内壁面几何形貌的复制品，并通过手持式扫描仪对硅胶模型外表面进行间接扫描获得，最后将外壁面、内壁面的几何模型进行整合得到构件完整几何模型如图4a；基本几何参数根据三维扫描获得间隔取样间距的一系列截面轮廓计算确定；本实施例中，取样间距为0.2mm。
如图4b、图5所示，WAAM长柱钢管结构件的整体几何缺陷定义为其实际几何参数与理想几何参数的偏差；沿纵向从几何模型中提取一组外壁、内壁截面轮廓，获得对应一组中心面截面轮廓并计算其质心位置；将两个端部中心面截面轮廓的质心连接形成一条直线作为理想轴线；然后计算每个截面轮廓的质心并逐段连接形成连续多段线以作为实际轴线，将每个截面轮廓质心连接形成的实际轴线与理想轴线的偏差视为整体几何缺陷；记每个构件所有方向中最大的整体几何缺陷程度的值为wg，将wg用长度L归一化；本实施例中，各个构件的最大归一化整体几何缺陷wg/L介于1/500～1/1000之间，电弧增材制造构件的平均归一化整体几何缺陷wg/L为1/737。
步骤S2中，如图6所示，采用液压试验机对WAAM长柱钢管结构件进行轴压性能试验，将试验机上端的自锁球铰的所有自由度固定，钢管结构件的上、下两端均安装刀口，使结构件只能在屈曲平面内转动，将整体几何缺陷最大的方向与屈曲方向对齐；为了保证结构件端部与刀口支座的充分接触，并且防止端部滑动，在每个结构件的两端焊接钢板，钢板和刀口之间采用螺栓连接；稳定性计算时的结构件计算长度等于顶部和底部刀口的尖端之间的距离，即构件的长度加上两端刀口、焊板的厚度之和；采用位移控制模式进行单调加载，加载速率为0.5mm/min，直至试件破坏。
步骤S3中，如图5、图8a和图8b所示，采用构件的归一化抗压极限荷载Nu/(Aσ0.2)、长细比参数λ/εk和初始整体几何缺陷wg/L，以评估指标参数Nu/(Aσ0.2)和λ/εk之间的相关性、Nu/(Aσ0.2)和wg/L之间的相关性；A为平均截面积，σ0.2＝fy为屈服强度，λ/εk为构件的长细比参数，wg/L为构件的最大归一化整体几何缺陷；本实施例中，归一化后的构件的抗压极限承载力Nu/(Aσ0.2)总体上随着长细比参数λ/εk、整体几何缺陷wg/L增大而降低，前者近似为线性关系，后者非线性变化明显；
λ/εk的计算式为：
式中，λ为长细比；εk为钢号修正系数，其值为235与钢材牌号中屈服点数值的比值的平方根；Lcr为构件的计算长度，其值等于构件在其有效约束点间的几何长度与计算长度系数的乘积；i为截面回转半径。
需要说明的，本实施例中与实施例一相同或相似的部分可相互参考，在本申请中不再赘述。
实施例三
作为另一种实施例，本实施例三在实施例一和二的基础上提出，一种更具体的电弧增材长柱钢管结构件实验装置的性能评估计算方法。
长柱钢管结构件标准设计主要包括欧洲标准、美国标准和中国标准设计，分析极限承载力的标准设计值；长柱钢管结构件在轴压作用下一般出现整体屈曲或整体-局部相关屈曲的情况；参照欧洲标准EN-1993-1-4做法，将钢构件截面分为四类；
欧洲标准EN-1993-1-4中，根据径厚比D/t的取值范围，将钢管截面分为四类，如表2所示；D为外直径，t为壁厚，E为弹性模量，fy为屈服强度；
表2欧洲标准EN-1993-1-4截面分类
| 截面类型 | 第一类 | 第二类 | 第三类 | 第四类 |
| D/t | ≤50ε2 | 50ε2≤D/t≤70ε2 | 70ε2≤D/t≤90ε2 | ≥90ε2 |
在计算长柱钢管结构件在轴压作用下的极限荷载时，需要考虑构件的稳定性，其抗压承载力表示为截面承载力乘以折减系数；对于第一、二、三类截面，轴压承载力Nu,EC3为：
式中，γM1为构件失稳的局部安全系数，A为构件毛截面面积，σ0.2为材料屈服强度，χ为考虑屈曲的强度折减系数，χ的计算式为：
式中，为无量纲长细比，φ为参数；的计算式为：
式中，Ncr为欧拉屈曲荷载，Lcr为计算长度，i为截面回转半径，E为弹性模量；
参数φ的计算式为：
式中，α为缺陷因子，为长细比限值；这两个参数决定了屈曲曲线的形状，以解释不同程度的材料非线性、残余应力和几何缺陷的影响；本实施例中，对于热成形的奥氏体不锈钢圆管柱，α和取为0.49和0.2。
美国标准AISC 370中，对于焊接、冷成型和热轧的奥氏体和双相不锈钢管状构件，根据荷载与抗力系数设计(LRFD)方法，当构件为直杆或弯曲不显著，受均匀分布的轴向压力，且截面为对称或非对称圆形、矩形或椭圆形时，非细长截面构件的轴压屈曲承载力Nu,AISC为
式中，φc为抗力系数，Fcr为构件临界应力，Ag为总截面积；对于奥氏体和双相不锈钢钢管管状构件，临界应力Fcr的计算式为：
式中，为无量纲长细比，计算式同公式(3)。
中国标准GB 50017中，轴心受压构件的稳定承载力Nu,GB为
式中，A为构件毛截面面积，σ0.2为材料屈服应力，为轴心受压构件的稳定系数；根据构件的长细比或换算长细比、钢材屈服强度和截面分类查表取值。
将承载力测试结果与步骤S3.1中的EN、AISC和GB标准设计极限承载力进行对比；定义测试值与标准设计值的比值作为专业系数以评估其计算预测能力；试件的平均专业系数大于1.0时，则采用标准设计值进行WAAM长柱钢管结构件测试值的评估计算预测是保守和安全的。
如图9a至图9c所示，通过曲线图、表格记录等方式，获得WAAM长柱钢管结构件的极限承载力测试值以及标准设计式计算预测值；定义专业系数为试件测试值与标准设计值的比值，比值的平均值为平均专业系数，通过平均专业系数、最小专业系数和标准差来综合评估WAAM长柱钢管结构件测试值的有效性、标准设计式计算预测值的准确性；其中端板为变形体的构件为模型A，端板为刚性体的构件为模型B；
本实施例中，试件测试值、标准设计值及专业系数如表3所示：
表3试件测试值与标准设计值的专业系数
WAAM长柱钢管结构件能达到美国标准AISC 370、中国标准GB 50017的轴压承载力要求，对应的平均专业系数均大于1.0；多数试件无法达到欧洲标准EN-1993-1-4的设计承载力要求，但相差并不大，对应的平均专业系数为0.99，最小专业系数为0.95。
这种电弧增材长柱钢管结构件实验装置及性能评估计算方法，还可以应用在不锈钢、低碳钢等材质的WAAM长柱钢管结构件的几何特性测量以及轴压作用下的性能测试、缺陷影响、承载评估及应用设计中。
需要说明的，本实施例中与实施例一相同或相似的部分可相互参考，在本申请中不再赘述。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
Claims (10)
1.一种电弧增材长柱钢管结构件实验装置的性能评估计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、试件制备和几何测量：切割WAAM板件制作WAAM标准试件；使用同种材料进行WAAM长柱钢管结构件打印，测量WAAM长柱钢管结构件的基本几何参数，并基于构件内外壁中心面上截面轮廓的质心连线最大偏差计算整体几何缺陷；
S2、实验装置和测试方法：通过拉伸实验获得WAAM标准试件的平均力学性能参数，通过轴压实验并测量获得WAAM长柱钢管结构件的荷载-挠度变化曲线，从而得到WAAM长柱钢管结构件的轴压承载性能和极限承载力测试值；
S3、标准设计和性能评估：分析WAAM长柱钢管结构件极限承载力与其长细比参数和整体几何缺陷的相关性，根据现有长柱钢管结构件标准，计算WAAM长柱钢管结构件极限承载力的标准设计值；计算WAAM长柱钢管结构件极限承载力的测试值和标准设计值的比值，评估现有长柱钢管结构件标准计算预测WAAM长柱钢管结构件的准确性。
2.根据权利要求1所述的电弧增材长柱钢管结构件实验装置的性能评估计算方法，其特征在于，步骤S1中，建立WAAM长柱钢管结构件的数字三维模型，将WAAM长柱钢管结构件切割成多个截面且定义每个截面的规划路径，规划路径包括扫描方向和沉积方向，每层沿环向为扫描方向，相邻层沿轴向为沉积方向；采用电弧焊枪沿规划路径逐层扫描并沉积金属丝材形成WAAM长柱钢管结构件。
3.根据权利要求1所述的电弧增材长柱钢管结构件实验装置的性能评估计算方法，其特征在于，步骤S1中，WAAM板件包括薄板和厚板两种，采用线切割在WAAM板件上分别沿与扫描方向夹角θ为0°、45°和90°制作三组WAAM标准试件；WAAM标准试件的表面不进行后处理，即保留WAAM工艺产生的表面起伏形貌。
4.根据权利要求1所述的电弧增材长柱钢管结构件实验装置的性能评估计算方法，其特征在于，步骤S1中，测量WAAM长柱钢管结构件的基本几何参数具体为，WAAM长柱钢管结构件的外壁面采用非接触式三维激光扫描仪进行直接扫描；采用模具硅胶对WAAM长柱钢管结构件的内壁面进行灌胶并脱模获得内壁面几何形貌的复制品，然后对硅胶模型外表面进行扫描间接获得WAAM长柱钢管结构件的内壁面；最后将外壁面和内壁面的几何模型进行整合，得到WAAM长柱钢管结构件的完整几何模型，基本几何参数根据三维扫描获得间隔取样间距的一系列截面轮廓计算确定。
5.根据权利要求4所述的电弧增材长柱钢管结构件实验装置的性能评估计算方法，其特征在于，步骤S1中，WAAM长柱钢管结构件的整体几何缺陷定义为实际几何参数与理想几何参数的偏差；沿纵向从WAAM长柱钢管结构件的完整几何模型中提取一组外壁和内壁截面轮廓，获得对应一组中心面截面轮廓，并计算其质心位置；将两个端部中心面截面轮廓的质心连接形成一条直线作为理想轴线；然后计算每个截面轮廓的质心并逐段连接形成连续多段线以作为实际轴线，将每个截面轮廓质心连接形成的实际轴线与理想轴线的偏差视为整体几何缺陷；记每个WAAM长柱钢管结构件所有方向中最大的整体几何缺陷程度的值为wg，将wg用WAAM长柱钢管结构件的长度L归一化。
6.根据权利要求1所述的电弧增材长柱钢管结构件实验装置的性能评估计算方法，其特征在于，步骤S2中，WAAM标准试件的平均力学性能参数包括弹性模量E、屈服强度fy、极限抗拉强度fu、极限应变εu和失效应变εf；采用液压试验机对WAAM长柱钢管结构件进行轴压承载性能试验，将液压试验机上端的自锁球铰的所有自由度固定，WAAM长柱钢管结构件的上下两端均安装刀口，使WAAM长柱钢管结构件在屈曲平面内转动，将整体几何缺陷最大的方向与屈曲方向对齐；在WAAM长柱钢管结构件的两端焊接钢板，钢板和刀口之间采用螺栓连接；稳定性计算时的WAAM长柱钢管结构件计算长度等于顶部和底部刀口的尖端之间的距离，采用位移控制模式进行单调加载，维持加载速率恒定直至WAAM长柱钢管结构件破坏。
7.根据权利要求1所述的电弧增材长柱钢管结构件实验装置的性能评估计算方法，其特征在于，步骤S2中，采用应变片和位移计联合法进行WAAM长柱钢管结构件的位移和应变测量，在WAAM长柱钢管结构件中部屈曲方向的两个对称位置进行抛光，并分别设置竖向应变片；在上端板和下端板分别设置两个位移计来测量上下端板的位移，在WAAM长柱钢管结构件中部横向设置位移计来测量WAAM长柱钢管结构件中部的横向挠度；荷载数据由试验机内部的测力单元采集，进而得到WAAM长柱钢管结构件的荷载-挠度变化曲线和极限承载力测试值。
8.根据权利要求7所述的电弧增材长柱钢管结构件实验装置的性能评估计算方法，其特征在于，步骤S2中，采用非接触三维数字图像相关法进行WAAM长柱钢管结构件的位移和应变测量，在测试之前，在监测的区域用金属漆喷涂散斑图案，试验过程中DIC系统通过识别跟踪散斑图案来计算变形；荷载数据由试验机内部的测力单元采集，进而得到WAAM长柱钢管结构件的荷载-挠度变化曲线和极限承载力测试值；还可以通过非接触三维数字图像相关法得到的测量结果辅证应变片和位移计联合法的测量结果。
9.根据权利要求1所述的电弧增材长柱钢管结构件实验装置的性能评估计算方法，其特征在于，步骤S3中，分析WAAM长柱钢管结构件极限承载力与其长细比参数和整体几何缺陷的相关性，评估几何尺寸和整体缺陷的影响；采用归一化后的抗压极限荷载Nu/(Aσ0.2)、归一化后的长细比参数λ/εk和归一化后的初始整体几何缺陷wg/L，评估指标参数Nu/(Aσ0.2)和λ/εk、Nu/(Aσ0.2)和wg/L之间的相关性；Nu为抗压极限载荷，A为平均截面积，σ0.2＝fy为屈服强度，λ/εk为WAAM长柱钢管结构件的长细比参数，wg/L为WAAM长柱钢管结构件的归一化整体几何缺陷；wg为表征最大整体几何缺陷程度的参数，L为WAAM长柱钢管结构件长度；
λ/εk的计算式为：
式中，λ为长细比；εk为钢号修正系数，其值为235与钢材牌号中屈服点数值的比值的平方根；Lcr为WAAM长柱钢管结构件的计算长度，其值等于WAAM长柱钢管结构件在其有效约束点间的几何长度与计算长度系数的乘积；i为截面回转半径。
10.根据权利要求1所述的电弧增材长柱钢管结构件实验装置的性能评估计算方法，其特征在于，步骤S3中，将WAAM长柱钢管结构件极限承载力的测试值和标准设计值的比值定义为专业系数，以评估其计算预测能力；当专业系数平均值大于1时，则判断采用标准设计值进行WAAM长柱钢管结构件测试值的评估计算预测是保守和安全的。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410544350.8A CN118296735A (zh) | 2024-05-06 | 2024-05-06 | 电弧增材长柱钢管结构件实验装置及性能评估计算方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410544350.8A CN118296735A (zh) | 2024-05-06 | 2024-05-06 | 电弧增材长柱钢管结构件实验装置及性能评估计算方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN118296735A true CN118296735A (zh) | 2024-07-05 |
Family
ID=91680213
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410544350.8A Pending CN118296735A (zh) | 2024-05-06 | 2024-05-06 | 电弧增材长柱钢管结构件实验装置及性能评估计算方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN118296735A (zh) |
-
2024
- 2024-05-06 CN CN202410544350.8A patent/CN118296735A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Buchanan et al. | Testing, simulation and design of cold-formed stainless steel CHS columns | |
| CN109376429B (zh) | 一种基于有限元仿真的混凝土坝模板安全施工分析方法 | |
| Wang et al. | Experimental investigation on the stability of aluminium alloy 6082 circular tubes in axial compression | |
| Wang et al. | Flexural behaviour and strengths of press-braked S960 ultra-high strength steel channel section beams | |
| Adeoti et al. | Stability of 6082-T6 aluminium alloy columns with H-section and rectangular hollow sections | |
| WO2020211007A1 (zh) | 一种面向航空航天薄壳结构的形位偏差特征库建立方法 | |
| Huang et al. | Cross-sectional behaviour of wire arc additively manufactured tubular beams | |
| CN110940299B (zh) | 一种混凝土表面三维粗糙度的测量方法 | |
| CN113378386B (zh) | 一种基于残余应力修正的3d打印管道补偿设计方法 | |
| Wang et al. | Lateral-torsional buckling resistance of aluminium I-beams | |
| Tran et al. | Analysis of the asymmetrical roll bending process through dynamic FE simulations and experimental study | |
| CN108844824B (zh) | 一种基于圆锥形压头的已知材料残余应力测定方法 | |
| CN115705443A (zh) | 钢管冷拔模具的制造方法 | |
| CN111507040B (zh) | 波纹侧板-方钢管混凝土柱偏心受压承载力的计算方法 | |
| Pham et al. | Global buckling capacity of cold-rolled aluminium alloy channel section beams | |
| Huang et al. | Novel geometrical model and design mechanical parameters for CMT-WAAM stainless steel | |
| CN117313483A (zh) | 一种锈蚀冷弯薄壁型钢柱屈曲承载力评估方法 | |
| Zhang et al. | Testing and analysis of additively manufactured stainless steel corrugated cylindrical shells in compression | |
| CN105195574A (zh) | 大截面尺寸构件的冷弯成形方法 | |
| CN118296735A (zh) | 电弧增材长柱钢管结构件实验装置及性能评估计算方法 | |
| CN106599446B (zh) | 一种板壳材料起皱失稳极限图的建立方法及系统 | |
| CN110096772B (zh) | 一种面向航空航天薄壳结构的形位偏差特征库建立方法 | |
| Elghazouli et al. | Experimental response of glass-reinforced plastic cylinders under axial compression | |
| CN116952720A (zh) | 电弧增材短柱钢管结构件实验装置及性能评估方法 | |
| CN115472245A (zh) | 一种混凝土梁的受弯承载力和配筋率的计算方法 |
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 |