材性試驗的案例
鋼材單向拉伸試驗Abaqus模擬 附Abaqus詳細教程下載
試驗數據處理
常規金屬材性實驗一般可以獲得三種數據：試驗機荷載、試驗機位移、引伸計測得的應變。然而，引伸計一般在獲得后0.05應變后便取下，這意味著獲得不到應力-應變全過程曲線。筆者的解決方法是，舍去彈性階段的試驗機位移，利用塑性階段應力相等與剛度相等原則處理位移數據，獲得塑性階段的應變數據，再與引伸計應變數據拼接，從而得到一條完整的應力-應變曲線。
下文以1.5mm鋼板的材性試驗以例進行數據處理與有限元分析。圖2為其中一個試樣的處理結果，其中“Extensometer”為引伸計獲得，“Facility”為試驗機位移經處理后獲得。
圖2 應力-應變全曲線
有限元模型
材料模型
有了應力-應變數據，即可建立本構模型。同材料的彈、塑性行為，所有應力-應變關系應為真實應力-應變關系。對于起始準則，通過應力-應變數據提取起初斷裂應變
。本例中斷裂應變、應力三軸度與應變率分別取為0.221、0.333、0。
展開 什么是萬能材料試驗機
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簡 介
萬能試驗機，它并不萬能。
但由于集拉伸、彎曲、壓縮、剪切等功能于一體，確實挺多才多藝。且試驗對象較小，因此也稱作材料試驗機。
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萬能/材料試驗機
以位于同濟大學滬西校區木結構試驗室的“WDW-50kN微機控制電子萬能試驗機”為例說明。
這臺機器長成圖1這樣。主要技術指標包括：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,實際作動器不超出機器立柱高度范圍原則上均可。
圖1 WDW-50kN微機控制電子萬能試驗機
材料試驗機常用作拉/壓、彎/剪等工況下的材性試驗，如圖2、圖3所示。
圖2 受拉試驗
圖3 受彎試驗
本質上，材料試驗機只是提供豎直方向力。為了稱得上“萬能”，還需要結合試驗目的設計相應的加載頭與夾具。
例如，為了研究自攻螺釘的抗拔承載力，可利用試驗機在豎直方向的加載，并專門設計加載頭與夾具予以實現。圖4中，作動器通過螺栓連接，可與自攻螺釘緊固；夾具與底座連接，并夾緊試件，使試驗件不因作動器的拉力作用發生移動。
展開 新型鋼網鏤空心樓板試驗、模擬及理論研究 (數值模擬部分)
鋼筋采用雙線性本構模型，其數值由材性試驗得到。
3.2邊界條件
為節約計算成本和提高計算效率，采用1/4模型進行計算分析。柱底采用固定約束，1/4邊界處采用對稱約束，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網格和單元
混凝土均采用C3D8R實體單元進行模擬，鋼筋采用T3D2桁架單元進行模擬，模型共104118個實體單元和66244個桁架單元。
3.4計算假定
需要說明的是，在有限元模型中采用直徑為3mm、間距50mm的Q235鋼筋網模擬鋼網鏤，采用8mm厚的混凝土板模擬鋼網鏤上粘結的混凝土，兩者的本構模型與前述一致。
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 裝配式鋼網鏤空心樓蓋數值模型
4. 有限元模型的驗證
有限元模型的驗證是通過數值模擬結果與試驗結果進行對比判定的，位移的對比如圖3所示，試驗現象的對比如圖4所示。由圖3可知，在荷載較小時，有限元模擬得到的位移比試驗得到的位移小；隨著荷載的增大，數值模擬和試驗得到的位移大小趨于一致。此外，兩者的荷載-位移曲線變化趨勢是一致的。數值模擬中對鋼網鏤的模擬進行了簡化，在荷載較小時，其對結構整體的剛度也有貢獻。而實際上，只有構件的變形發展到一定程度時，鋼網鏤張緊，才能發揮作用。這就是在荷載較小時有限元模擬的剛度較大的原因。在荷載增大后，數值模擬的所采用的簡化假定與構件的實際狀態相近，兩者得到的位移趨于一致。而由于數值模擬中未考慮鋼網鏤細鋼絲及鋼網鏤側壁的貢獻，使得模擬的鋼網鏤對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。
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由于該試驗未通過材性試驗給出完整的應力應變曲線，而是給出了混凝土的強度以及彈模，因此選用相應強度等級的混凝土規范骨架曲線進行建模。另外，阻尼比也是根據抗震規范進行選取。需要說明的是，這樣無法避免地會造成一定的誤差。
下面從層間位移角和層位移時程曲線這兩個方面，用試驗數據與數值計算結果進行對比，從而驗證所開發的本構子程序。
數值與試驗對比-層間位移角x
數值與試驗對比-層間位移角y
數值與試驗對比-X方向頂層位移時程
數值與試驗對比-Y方向頂層位移時程
x方向和y方向最大層間位移角結果平均誤差均在10%左右，同時層位移時程曲線的趨勢與試驗基本一致，幅值也基本相當。總的來說，數值計算結果與試驗數據相差較小，表明所開發的本構子程序分析精度滿足工程需求，采用梁單元來對鋼筋混凝土框架結構進行有限元模擬是可行的。
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