冷弯钢材及铝合金材料循环本构模型研究及应用

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近数十年,空间结构领域蓬勃发展,逐步向跨度大、造型优美、功能全面的方向发展。大跨度空间结构的自重轻、柔性大,自振频率较低且相近,属于动力荷载敏感结构,当其遭受地震、强风等往复荷载作用时,结构易产生较大变形,从而造成其围护结构甚至是整体结构破坏,因此结构动力性能分析是十分必要的,精准高效的本构模型对构件、结构的准确分析具有重要意义。本文研究工作如下:首先,对冷弯后Q235B钢试件进行单调拉伸材料性能试验及循环加载材料性能试验。试件取自冷弯大断面方钢管,取材位置分别为焊缝区域(H1)、紧邻焊缝区域(H2)、平板区域(Z)和转角区域(J)。对6061-T6铝合金试件进行单调拉伸材料性能试验及循环加载材料性能试验。试件取自泰姆科节点翼缘板。由试验结果对冷弯钢材及6061-T6铝合金材料在循环荷载下的力学性能进行分析。然后,基于混合硬化本构模型,对冷弯后Q235钢材及6061-T6铝合金材料进行混合硬化参数拟合,给出建议值。在此基础上,由材料在循环荷载下的力学特性,利用ABAQUS的用户材料子程序UMAT进行冷弯后Q235钢不同部位区域材料及6061-T6铝合金材料的本构模型二次开发,将开发的本构模型总体上分为初次加载的单调加载段、卸载段、再加载段以及循环加载的骨架曲线加载段四部分,给出材料在各阶段函数的建议值。为验证上述两种本构模型的准确性,使用有限元软件ABAQUS进行相同加载制度下的模拟,结果表明模拟曲线与试验曲线吻合良好;最后,将提出的混合硬化本构模型参数应用于材料为6061-T6铝合金的泰姆科节点的滞回试验模拟中,分别与试验值、普通材性下的模拟值作以对比,将提出的混合硬化本构模型参数应用于材料为冷弯后Q235钢的方钢管柱的滞回模拟中,与普通材性下的模拟值作以对比,结果表明混合硬化本构模型可达到与各向同性硬化本构模型相同的极限强度,但可以偏于安全地估计材料的耗能能力;将经二次开发的循环本构模型应用于单层网壳的风振分析中,与普通材性下所得模拟值作以对比,结果表明结构的杆件应力分布及节点位移变化趋势相近但略有不同,差异产生的原因主要是采用了UMAT的精细化本构模型对材料的再加载过程进行了优化,更加准确地反映了材料的耗能能力,因此,精细化本构模型在结构的动力性能分析中具有应用价值。
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