材性試驗(yàn)
關(guān)注創(chuàng)建者：bronson18 創(chuàng)建時(shí)間：2020-12-17
材性試驗(yàn)的實(shí)例教程
試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理
常規(guī)金屬材性實(shí)驗(yàn)一般可以獲得三種數(shù)據(jù)：試驗(yàn)機(jī)荷載、試驗(yàn)機(jī)位移、引伸計(jì)測(cè)得的應(yīng)變。然而，引伸計(jì)一般在獲得后0.05應(yīng)變后便取下，這意味著獲得不到應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線。筆者的解決方法是，舍去彈性階段的試驗(yàn)機(jī)位移，利用塑性階段應(yīng)力相等與剛度相等原則處理位移數(shù)據(jù)，獲得塑性階段的應(yīng)變數(shù)據(jù)，再與引伸計(jì)應(yīng)變數(shù)據(jù)拼接，從而得到一條完整的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
下文以1.5mm鋼板的材性試驗(yàn)以例進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與有限元分析。圖2為其中一個(gè)試樣的處理結(jié)果，其中“Extensometer”為引伸計(jì)獲得，“Facility”為試驗(yàn)機(jī)位移經(jīng)處理后獲得。
圖2 應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€
有限元模型
材料模型
有了應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，即可建立本構(gòu)模型。同材料的彈、塑性行為，所有應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系應(yīng)為真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。對(duì)于起始準(zhǔn)則，通過應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)提取起初斷裂應(yīng)變
。本例中斷裂應(yīng)變、應(yīng)力三軸度與應(yīng)變率分別取為0.221、0.333、0。
展開 1
簡(jiǎn) 介
萬能試驗(yàn)機(jī)，它并不萬能。
但由于集拉伸、彎曲、壓縮、剪切等功能于一體，確實(shí)挺多才多藝。且試驗(yàn)對(duì)象較小，因此也稱作材料試驗(yàn)機(jī)。
2
萬能/材料試驗(yàn)機(jī)
以位于同濟(jì)大學(xué)滬西校區(qū)木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室的“WDW-50kN微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)”為例說明。
這臺(tái)機(jī)器長(zhǎng)成圖1這樣。主要技術(shù)指標(biāo)包括：最大加載力50kN；按位移控制最大加載速度50mm/min;加載行程約1000mm,實(shí)際作動(dòng)器不超出機(jī)器立柱高度范圍原則上均可。
圖1 WDW-50kN微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)
材料試驗(yàn)機(jī)常用作拉/壓、彎/剪等工況下的材性試驗(yàn)，如圖2、圖3所示。
圖2 受拉試驗(yàn)
圖3 受彎試驗(yàn)
本質(zhì)上，材料試驗(yàn)機(jī)只是提供豎直方向力。為了稱得上“萬能”，還需要結(jié)合試驗(yàn)目的設(shè)計(jì)相應(yīng)的加載頭與夾具。
例如，為了研究自攻螺釘?shù)目拱纬休d力，可利用試驗(yàn)機(jī)在豎直方向的加載，并專門設(shè)計(jì)加載頭與夾具予以實(shí)現(xiàn)。圖4中，作動(dòng)器通過螺栓連接，可與自攻螺釘緊固；夾具與底座連接，并夾緊試件，使試驗(yàn)件不因作動(dòng)器的拉力作用發(fā)生移動(dòng)。
展開 鋼筋采用雙線性本構(gòu)模型，其數(shù)值由材性試驗(yàn)得到。
3.2邊界條件
為節(jié)約計(jì)算成本和提高計(jì)算效率，采用1/4模型進(jìn)行計(jì)算分析。柱底采用固定約束，1/4邊界處采用對(duì)稱約束，鋼筋與混凝土之間采用“Embedded region”約束，混凝土柱頂端與樓板之間采用“tie”約束。
3.3網(wǎng)格和單元
混凝土均采用C3D8R實(shí)體單元進(jìn)行模擬，鋼筋采用T3D2桁架單元進(jìn)行模擬，模型共104118個(gè)實(shí)體單元和66244個(gè)桁架單元。
3.4計(jì)算假定
需要說明的是，在有限元模型中采用直徑為3mm、間距50mm的Q235鋼筋網(wǎng)模擬鋼網(wǎng)鏤，采用8mm厚的混凝土板模擬鋼網(wǎng)鏤上粘結(jié)的混凝土，兩者的本構(gòu)模型與前述一致。
模型邊界條件如圖2 (a)所示，建立的有限元模型如圖2 (b)所示。
圖2 裝配式鋼網(wǎng)鏤空心樓蓋數(shù)值模型
4. 有限元模型的驗(yàn)證
有限元模型的驗(yàn)證是通過數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比判定的，位移的對(duì)比如圖3所示，試驗(yàn)現(xiàn)象的對(duì)比如圖4所示。由圖3可知，在荷載較小時(shí)，有限元模擬得到的位移比試驗(yàn)得到的位移小；隨著荷載的增大，數(shù)值模擬和試驗(yàn)得到的位移大小趨于一致。此外，兩者的荷載-位移曲線變化趨勢(shì)是一致的。數(shù)值模擬中對(duì)鋼網(wǎng)鏤的模擬進(jìn)行了簡(jiǎn)化，在荷載較小時(shí)，其對(duì)結(jié)構(gòu)整體的剛度也有貢獻(xiàn)。而實(shí)際上，只有構(gòu)件的變形發(fā)展到一定程度時(shí)，鋼網(wǎng)鏤張緊，才能發(fā)揮作用。這就是在荷載較小時(shí)有限元模擬的剛度較大的原因。在荷載增大后，數(shù)值模擬的所采用的簡(jiǎn)化假定與構(gòu)件的實(shí)際狀態(tài)相近，兩者得到的位移趨于一致。而由于數(shù)值模擬中未考慮鋼網(wǎng)鏤細(xì)鋼絲及鋼網(wǎng)鏤側(cè)壁的貢獻(xiàn)，使得模擬的鋼網(wǎng)鏤對(duì)其附近混凝土的約束較弱，這可能是有限元模擬得到的荷載-位移曲線后期剛度較小的原因。
展開 由于該試驗(yàn)未通過材性試驗(yàn)給出完整的應(yīng)力應(yīng)變曲線，而是給出了混凝土的強(qiáng)度以及彈模，因此選用相應(yīng)強(qiáng)度等級(jí)的混凝土規(guī)范骨架曲線進(jìn)行建模。另外，阻尼比也是根據(jù)抗震規(guī)范進(jìn)行選取。需要說明的是，這樣無法避免地會(huì)造成一定的誤差。
下面從層間位移角和層位移時(shí)程曲線這兩個(gè)方面，用試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而驗(yàn)證所開發(fā)的本構(gòu)子程序。
數(shù)值與試驗(yàn)對(duì)比-層間位移角x
數(shù)值與試驗(yàn)對(duì)比-層間位移角y
數(shù)值與試驗(yàn)對(duì)比-X方向頂層位移時(shí)程
數(shù)值與試驗(yàn)對(duì)比-Y方向頂層位移時(shí)程
x方向和y方向最大層間位移角結(jié)果平均誤差均在10%左右，同時(shí)層位移時(shí)程曲線的趨勢(shì)與試驗(yàn)基本一致，幅值也基本相當(dāng)。總的來說，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相差較小，表明所開發(fā)的本構(gòu)子程序分析精度滿足工程需求，采用梁?jiǎn)卧獊韺?duì)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模擬是可行的。
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下文以1.5mm鋼板的材性試驗(yàn)以例進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與有限元分析。圖2為其中一個(gè)試樣的處理結(jié)果，其中“Extensometer”為引伸計(jì)獲得，“Facility”為試驗(yàn)機(jī)位移經(jīng)處理后獲得。
圖2 應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€
有限元模型
材料模型
有了應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，即可建立本構(gòu)模型。同材料的彈、塑性行為，所有應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系應(yīng)為真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。
圖1 WDW-50kN微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)
材料試驗(yàn)機(jī)常用作拉/壓、彎/剪等工況下的材性試驗(yàn)，如圖2、圖3所示。
由于該試驗(yàn)未通過材性試驗(yàn)給出完整的應(yīng)力應(yīng)變曲線，而是給出了混凝土的強(qiáng)度以及彈模，因此選用相應(yīng)強(qiáng)度等級(jí)的混凝土規(guī)范骨架曲線進(jìn)行建模。另外，阻尼比也是根據(jù)抗震規(guī)范進(jìn)行選取。需要說明的是，這樣無法避免地會(huì)造成一定的誤差。
