韌性結(jié)構(gòu)
關(guān)注創(chuàng)建者：OpenSEES抗震筆記 創(chuàng)建時間：2023-02-08
韌性結(jié)構(gòu)的視頻教程
ABAQUS-裝甲鋼的夏比沖擊試驗-基于Johnson cook本構(gòu)模型（一步步照做100%可重現(xiàn)）
吸收功值(焦耳)大，表示材料韌性好，對結(jié)構(gòu)中的缺口或其他的應(yīng)力集中情況不敏感。對重要結(jié)構(gòu)的材料近年來趨向于采用更能反映缺口效應(yīng)的V形缺口試樣做沖擊試驗。 Johnson-Cook 材料模型及失效模型 JC模型的公式是基于實驗得到的。
￥20 40分鐘 213播放
查看
韌性結(jié)構(gòu)的實例教程
其實回答這個問題時很難一下子給出一個標(biāo)準(zhǔn)的答案，任何的答案都是由前提的，比如在降低殘余位移角的角度，那自然主結(jié)構(gòu)越強(qiáng)越好，但事實上結(jié)構(gòu)的地震行為是復(fù)雜，我們必須要綜合的評價。很顯然，主結(jié)構(gòu)越強(qiáng)越好的論斷就會被否定，該想法就是樸素的一個極限想法，即結(jié)構(gòu)按照彈性設(shè)計（次結(jié)構(gòu)忽略），顯然我們不會這樣做。此外，這樣樸素的想法也是停留在從結(jié)構(gòu)靜力的角度來評價結(jié)構(gòu)在地震下的動力行為。所以主次結(jié)構(gòu)的剛度比和強(qiáng)度比的合理取值，是一個值得探索的工作。這里Angus給出一個定性結(jié)論（該結(jié)論是基于結(jié)構(gòu)等效單自由度非線性動力反應(yīng)譜大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析得到）:結(jié)構(gòu)的屈服后剛度大是有利于于結(jié)構(gòu)壓制高階振型的不利影響，有利于降低結(jié)構(gòu)在地震下的峰值響應(yīng)的離散性，有利于提高結(jié)構(gòu)的韌性，但同時較大的屈服后剛度在其他滯回參數(shù)不變的前提下，會降低結(jié)構(gòu)的耗能能力，會增加結(jié)構(gòu)的層間加速度的峰值響應(yīng)，不利于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全等等。所以再次驗證，評價一個結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響需要多指標(biāo)同時進(jìn)行，否則得到的結(jié)論就會有失公允。
前文根據(jù)圖2在損傷控制階段前滯回規(guī)則可以得到結(jié)論：主次結(jié)構(gòu)需要有一個合理得剛度比和強(qiáng)度比，可以有效降低殘余變形。而且這個殘余變形可以通過理論推導(dǎo)定量的給出。那么帶來一個問題，這個問題也是做自復(fù)位韌性結(jié)構(gòu)共同面對的：一定要追求靜力下的絕對的或者可忽略的殘余變形么？對于這個問題的而回答，可以說仁者見仁智者見智。如果肯定的回答，我們所定義的韌性結(jié)構(gòu)的滯回規(guī)則就需要嚴(yán)格滿足一三象限的旗幟型規(guī)則。對于具有旗幟性滯回規(guī)則的結(jié)構(gòu)，相較于在同等剛度/強(qiáng)度或者等效強(qiáng)度/剛度下的具有近似理想彈塑性普通鋼框架而言，則其耗能能力是顯著降低的，帶來的問題就是高階振型可能顯著影響（這里是可能），加速度響應(yīng)會顯著提高。
展開 Journal of Constructional Steel Research 2023 Doi: https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2023.107837
01
新型阻尼器研發(fā)
Development of newly dampers
隨著韌性概念的漸熱，各行各業(yè)都融合這個概念，韌性經(jīng)濟(jì)，韌性城市等等。在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域，樸素的韌性結(jié)構(gòu)一開始僅用于描述結(jié)構(gòu)的可恢復(fù)性，更為直接的，structural resilience 近似等于structural self-centring capacity. 在Angus 認(rèn)知里，我更傾向于結(jié)構(gòu)的韌性是更高的維度，不僅應(yīng)該囊括結(jié)構(gòu)的可恢復(fù)性，而應(yīng)該間接等價于結(jié)構(gòu)高性能屬性。在基于PT后張拉或者SMA 的材料并聯(lián)金屬屈服機(jī)制耗能裝置的自復(fù)位結(jié)構(gòu)中，研究者經(jīng)常會遇到一個結(jié)構(gòu)性能的矛盾，自復(fù)位和耗能行為。進(jìn)而，這類自復(fù)位結(jié)構(gòu)為了優(yōu)先確保自復(fù)位特征，其耗能行為大多數(shù)用modest 來描述。隨著研究的深入，很多學(xué)者也提出了這類結(jié)構(gòu)的高階模態(tài)影響顯著，對主結(jié)構(gòu)不利，樓層加速度較大，對非結(jié)構(gòu)構(gòu)件安全不利。因此，研究者逐漸意識到，追求復(fù)位的同時應(yīng)該綜合的提高的結(jié)構(gòu)的性能。
展開 在常溫狀態(tài)下，大多數(shù)工程金屬具有較高的韌性，這種情況下，材料的失效分析通常會使用韌性損傷漸進(jìn)失效模型。
如下圖所示，該模型完整的定義了材料的彈性階段、塑性階段、損傷起始與損傷演化。材料承載經(jīng)歷彈塑性階段后達(dá)到損傷起始點a，繼續(xù)承載，損傷后的材料剛度折減，出現(xiàn)軟化，直到損傷參數(shù)D=1時，材料剛度退化為0，單元刪除。
韌性材料損傷漸進(jìn)失效模型
工程案例：
鋼制管狀結(jié)構(gòu)多工況沖擊損傷失效分析
上圖案例中的分析工況按閱讀順序依次是：
沖擊質(zhì)量5kg，速度100m/s，桶厚5mm;
沖擊質(zhì)量25kg，速度100m/s，桶厚5mm;
沖擊質(zhì)量25kg，速度200m/s，桶厚5mm;
沖擊質(zhì)量25kg，速度300m/s，桶厚5mm;
沖擊質(zhì)量25kg，速度400m/s，桶厚5mm;
沖擊質(zhì)量25kg，速度500m/s，桶厚5mm;
沖擊質(zhì)量25kg，速度500m/s，桶厚20mm;
沖擊質(zhì)量25kg，速度400m/s，桶厚50mm;
沖擊質(zhì)量25kg，速度500m/s，桶厚50mm;
付費部分為鋼制管狀結(jié)構(gòu)多工況沖擊損傷失效分析案例的9種工況共計9個inp文件壓縮包+CAE 源文件壓縮包。
展開 以往的震害表明，基于當(dāng)下規(guī)范設(shè)計的結(jié)構(gòu)已經(jīng)基本上能夠?qū)崿F(xiàn)生命安全的性能目標(biāo)，但是在地震中損壞的建筑可能由于修復(fù)的成本和難度不得不面臨拆除，也就是說這些損傷的建筑即使在震中沒有倒塌，但是在功能上已經(jīng)進(jìn)入了實質(zhì)倒塌的狀態(tài)。可以想象，這樣的資源浪費是很巨大的。這個時候，也可以扯上不滿足國家的“減碳”戰(zhàn)略。所以，可持續(xù)發(fā)展落實到單體結(jié)構(gòu)，就需要結(jié)構(gòu)具備可恢復(fù)性性能，或者高大上點，我們稱之為韌性結(jié)構(gòu)。今天的主題就是基于SMA 的可恢復(fù)性結(jié)構(gòu)（今天所講的是基于NiTi的超彈SMA， 對于其他類可能不適合）。
先講我個人的觀點：如果SMA 材料作為節(jié)點，構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度的主要貢獻(xiàn)者，那么我們就會面對一個很嚴(yán)厲的質(zhì)疑，這也是做基于SMA 韌性結(jié)構(gòu)所要面對的問題：你的研究有工程價值么？其實，這些年我一直也在思考這個問題。SMA 風(fēng)靡在結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域，大概是因為它具備以下兩點特點：1）基于應(yīng)力驅(qū)動的奧氏體轉(zhuǎn)變馬氏體的超彈效應(yīng)；2）因為材料晶格的微觀轉(zhuǎn)變導(dǎo)致材料在加載和卸載的路徑不重合，就是我們靜力學(xué)上稱之為靜力滯后（耗能能力），使得他非常適合于構(gòu)造新型的韌性結(jié)構(gòu)。
展開 【引言】
盡管最近在輕質(zhì)材料的設(shè)計和制造方面取得了一些進(jìn)展，但是制備兼有高剛度和高韌性的結(jié)構(gòu)材料仍然存在許多挑戰(zhàn)，因為這些性能常常是相互排斥的。天然材料通過在多個尺度上結(jié)合不同的增韌機(jī)理克服了這些限制。為了提高斷裂韌性，需要能量吸收機(jī)制來增加臨界裂紋在失效前拉伸長度。然而，將這種類型的機(jī)制引入到網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)中非常困難，因為構(gòu)建復(fù)雜的支撐體結(jié)構(gòu)十分具有挑戰(zhàn)性。
【成果簡介】
近日，瑞士蘇黎世大學(xué)的Kristina Shea和哈弗大學(xué)的Jennifer A. Lewis（共同通訊作者）報道了一種用于制造由核殼（C-S）支柱構(gòu)成的建筑網(wǎng)格的新方法，借助于擠出成型的3D打印技術(shù)，研究人員得到了同時具有高硬度和韌性的三維結(jié)構(gòu)。由核殼支柱構(gòu)成的這些架構(gòu)網(wǎng)格包含具有柔性環(huán)氧核-脆性環(huán)氧殼結(jié)構(gòu)單元的各向異性正交支柱，用柔性核-彈性殼界面薄殼單元生產(chǎn)的架構(gòu)晶網(wǎng)格同時表現(xiàn)出了高剛度和高韌性。相關(guān)研究成果以“Architected Lattices with High Stiffness and Toughness via Multicore–Shell 3D Printing”為題發(fā)表在Advanced Materials上。
【圖文導(dǎo)讀】
圖一 多核殼噴嘴的示意圖和打印所用墨水的流變學(xué)性質(zhì)圖
（a）連接到核心的同軸打印頭，接口和外殼油墨容器的光學(xué)圖像
（b）C-S打印頭的橫截面示意圖
（c）從C-S噴嘴中共同擠出的柔性環(huán)氧芯（紅色），彈性體硅氧烷界面（藍(lán)色）和脆性環(huán)氧殼（灰色）油墨的相對應(yīng)的假彩色光學(xué)圖像。
展開 
韌性結(jié)構(gòu)的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
韌性結(jié)構(gòu)的最新內(nèi)容
YjA5ZmMwMDhhY2IyMmU4MGRjMTliOWQ3MmY2ZWU2ZDQsMTc1NjM0NTcxNTkyNg==" image_type="image/jpeg" data-width="1764" data-height="1072" data-ic-uri="">
<span class="pgc-img-caption"></span>
<a></a>
</div><p>2、韌性與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析
2、韌性與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析：試驗機(jī)可在彎折過程中，利用傳感器實時監(jiān)測材料的應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線，分析材料的韌性。同時，觀察材料在多次彎折后的結(jié)構(gòu)變化，如是否出現(xiàn)分層、脫粘等現(xiàn)象，評估其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。對于多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的柔性屏，如包含有機(jī)發(fā)光層、電極層等，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析有助于優(yōu)化各層材料的匹配與界面結(jié)合力。
藉由交聯(lián)劑的幫助，會在官能基附近產(chǎn)生交聯(lián)作用形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，透過交聯(lián)點之作動使成為一個具有韌性的三維結(jié)構(gòu)，當(dāng)然此種交聯(lián)作用是一個不可逆的化學(xué)作用。與熱塑性材料不同的是熱固性材料一旦制成后便無法軟化也無法重制，且熱固性材料若收到超額的熱量時會崩解而不是融化。常見的熱固性材料有：環(huán)氧基樹酯成形化合物(EMC)、Phenoilics、不飽和多元酯、Polyurethane (PU)…等等。
藉由交聯(lián)劑的幫助，會在官能基附近產(chǎn)生交聯(lián)作用形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，透過交聯(lián)點之作動使成為一個具有韌性的三維結(jié)構(gòu)，當(dāng)然此種交聯(lián)作用是一個不可逆的化學(xué)作用。與熱塑性材料不同的是熱固性材料一旦制成后便無法軟化也無法重制，且熱固性材料若收到超額的熱量時會崩解而不是融化。常見的熱固性材料有：環(huán)氧基樹酯成形化合物(EMC)、Phenoilics、不飽和多元酯、Polyurethane (PU)…等等。
先講我個人的觀點：如果SMA 材料作為節(jié)點，構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度的主要貢獻(xiàn)者，那么我們就會面對一個很嚴(yán)厲的質(zhì)疑，這也是做基于SMA 韌性結(jié)構(gòu)所要面對的問題：你的研究有工程價值么？其實，這些年我一直也在思考這個問題。
一般來說，在SA中加入SPMs可以改善或獲得一些新的性能，這些性能如下：
(1)提高強(qiáng)度、韌性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。纖維、顆粒、晶須等韌性spm在SA網(wǎng)絡(luò)中的分散不僅可以抑制裂紋擴(kuò)展，增強(qiáng)SA骨架，還可以減少SA的熱收縮，提高SA的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。例如，加入0.5wt%氧化石墨烯在SA基體中可使SA的熱收縮率降低19%。
(2)提高絕熱性和耐溫性。
在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域，樸素的韌性結(jié)構(gòu)一開始僅用于描述結(jié)構(gòu)的可恢復(fù)性，更為直接的，structural resilience 近似等于structural self-centring capacity. 在Angus 認(rèn)知里，我更傾向于結(jié)構(gòu)的韌性是更高的維度，不僅應(yīng)該囊括結(jié)構(gòu)的可恢復(fù)性，而應(yīng)該間接等價于結(jié)構(gòu)高性能屬性。
那么帶來一個問題，這個問題也是做自復(fù)位韌性結(jié)構(gòu)共同面對的：一定要追求靜力下的絕對的或者可忽略的殘余變形么？對于這個問題的而回答，可以說仁者見仁智者見智。如果肯定的回答，我們所定義的韌性結(jié)構(gòu)的滯回規(guī)則就需要嚴(yán)格滿足一三象限的旗幟型規(guī)則。
碳酸鈣是一種很脆且易碎的物質(zhì)，但是有機(jī)蛋白基連接而成的層狀碳酸鈣組成的貝殼珍珠層卻具有很強(qiáng)的韌性。這種結(jié)構(gòu)啟發(fā)人們在高強(qiáng)度低塑性或者低耐蝕性材料外附加一層具有良好塑性或良好耐蝕性的包覆層，以提高材料整體的物理化學(xué)性能。
上述結(jié)論對其他類型的原子尺度薄膜材料具有普遍性，為提高范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)的韌性，有效避免災(zāi)難性失效提供了新策略。
力學(xué)所博士研究生謝文慧為論文第一作者，魏宇杰為論文通訊作者。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會和中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項的支持。
二維無定形碳的三維堆疊，由此產(chǎn)生的非晶碳基復(fù)合材料具有高強(qiáng)度（~3.5 GPa）和良好的韌性。
