T型钢管节点抗冲击机理有限元分析

2018-02-16

江西建材 2018年3期

随着钢材轧制、冷热成型及焊接技术的发展，管节点可以不用节点板或其他复杂的构造形式，就能很方便地直接焊接，加之计算理论的不断完善，使得钢管结构的应用范围从平面进一步发展到空间，相贯节点的类型也更加复杂，逐步成为钢管结构中最主要的节点形式之一。与其他管节点形式相比，相贯节点具有形式简单、外观美观、节省钢材等优点。

工程中的管节点在水平荷载作用下，一般应简化为两端铰支，且承受轴向力作用的力学模型。在冲击荷载作用下，其失效机理、极限承载力、结构变形、能量转换等均与静力荷载作用时存在较大差异；且工程中受撞击后节点的损伤评估及维修方法亟待解决。因此，从管结构抗冲击理论研究的系统性和工程应用需求来看，尚需进行大量的研究工作。为了研究不同参数对于T型圆钢管在冲击荷载作用下的破坏模式、变形、耗能能力、冲击力的影响，进行有限元分析。

1 有限元模型的建立

为简化计算，本文所建立的在冲击荷载作用下T型钢管节点数值仿真模型与实际试验存在着一定差异，主要体现在以下三个方面：①仅考虑了应变率对钢材应力的影响，没有考虑应变率对钢材的弹性模量和应变的影响；②在冲击过程中没有考虑重力对锤体的加速作用；③数值仿真模型中支座的转动刚度为零［1］。

1.1 单元的选取

本文中节点、端板、落锤均采用八节点非协调三维实体分析单元（C3D8I）。钢管管壁相对较薄，但为了提高准确性也采用了C3D8I单元。C3D8I由8个节点组成，每个节点都的位移、速度、加速度都有x、y、z三个方向的自由度。此单元支持单点积分和沙漏控制，通过改变设置也可选择减缩积分。

1.2 网格的划分

本文采用结构化网格划分，冲击破坏主要发生在主管管壁和主、支管交界处，在锤头与管节点接触面区域发生局部屈曲，为了充分了解冲击区域局部的应力、应变情况，在管节点冲击区域局部单元划分较密，其他部分单元较为稀疏以节约计算时间。经过试算，网格采用如下划分密度精度较好：在主管加密区，主管沿圆周方向划分成100份，沿管壁厚度方向划分成2份，沿轴向划分成40份，在主管非加密区沿轴向划分为20份，主管和支管的端板沿轴向划分为2份，沿圆周方向划分为25份，沿径向划分为5份。

2 应变分析

节点的支座材料为钢材，而钢材是典型的应变率敏感材料。通过分析有限元模型不同位置的应变变化情况，可以发现：在冲击过程中，在节点冲击位置附近范围内的钢板经历了非常大的应变率变化，其对局部钢材的动态屈服强度的影响变得十分显著［2］。但是，这种影响仅局限在受到冲击后变形严重的主管与支管相贯区域，钢材应变率敏感性造成对管节点造成的综合影响相对有限。

2.1 应变时程曲线

分析有限元计算得到的各试件表面各测点的应变可知：计算得到的各点应变比试验大，但其变化趋势基本一致。这可能是因为冲击过程过于剧烈，试件在冲击过程中发生剧烈的变形，导致部分应变片与钢管表面的粘结发生松动，甚至部分应变片发生了断裂，使应变片测得的应变偏小甚至测不到数据［3］。

2.2 应变率时程曲线

这个水平的应变率已经足够对钢材的动态屈服强度产生显著的增强作用［4］。可以看出不同的位置的点的应变率的形状大致相同，在冲击开始后逐渐达到峰值，然后随着的冲击的结束降低为零。应变率峰值的出现意味着这一点的变形最为剧烈。不同位置的点的应变率达到峰值的时间各不相同，冲击开始后，鞍点和冠点的应变率首先达到峰值，然后截面曲率最大处的环向应变达到峰值，截面曲率最大处的轴向应变达到的峰值的时间略晚于环向，管底的应变率一直维持在较低的水平上，并逐渐降低为零。这主要是因为冠点和鞍点位于主管和支管的相贯线上，支管传来的冲击荷载首先引起这两个点的剧烈变形，随着冲击过程的发展，塑性铰区逐渐扩展到截面曲率最大处，并在该位置椭圆形塑性区的短轴长度达到最大值，在该点形成塑性铰，并引起应变的迅速变化，截面的变形导致主管的刚度不断削弱，使弯曲变形开始增长，这表现为截面曲率最大处轴向应变的应变率达到峰值。高应变率产生的增强作用仅仅局限在管受到冲击变形较大的区域。

3 荷载-位移曲线

有限元和试验得到的荷载-曲线进行了对比，与试验结果一样，各试件的荷载-位移关系曲线均包括上升、震荡下降、平稳下降和弹性恢复四个阶段且弹性恢复阶段的卸载刚度小于加载刚度，有限元分析得到的结果冲击力的大小略小于试验结果，试件的最大变形略大于试验结果，有限元分析得到的抗冲击初始刚度明显大于试验得到的抗冲击初始刚度［5-10］。

究其原因有可能是由如下几个方面因素造成：①在数值模拟过程中，把锤头简化成刚性锤头导致锤头与试件端板接触时间变小，并且导致冲击力位移曲线初始刚度变大；②在试验过程中，位移计与试件之间未接触紧密，从而导致冲击开始阶段试验结果冲击力位移曲线加载刚度变小；③试验主管两端支座不能保证完全铰接而是具有一定的转动刚度，导致主管整体弯曲刚度偏大，使最大位移小于有限元结果，并使荷载大于有限元结果。