考慮軸壓比的圓鋼管抗沖擊有限元研究

劉富強(qiáng),曲 慧,周新剛,黃文金

(1.煙臺(tái)大學(xué)土木工程學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264005；2. 福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院, 福建 福州350002)

文獻(xiàn)[1]在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,提出圓鋼管在受撞擊時(shí)鋼管共呈現(xiàn)出3種不同的變形情況:局部凹陷、整體彎曲以及兩者之間的耦合．張善元課題組等[2-5]從1996年到現(xiàn)在進(jìn)行了大量鋼管沖擊力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)和有限元研究,在對(duì)兩端固支圓管的沖擊試驗(yàn)后,得出了鋼管的整體變形與局部凹陷的耦合程度與鋼管的幾何參數(shù)L/D,D/t有很大關(guān)系的結(jié)論．文獻(xiàn)[6]在做鋼管混凝土的側(cè)向沖擊下的動(dòng)力響應(yīng)及損傷破壞的研究時(shí),對(duì)空鋼管構(gòu)件也做了相關(guān)沖擊試驗(yàn)．對(duì)無(wú)軸向壓力鋼管在不同沖擊高度的實(shí)驗(yàn)研究中指出鋼管的變形首先是發(fā)生局部凹陷,當(dāng)沖擊能量逐漸增大,使鋼管截面凹陷到一定程度時(shí)才發(fā)生整體彎曲變形．

在實(shí)際工程中,鋼管結(jié)構(gòu)大多受軸壓力作用,例如:高速公路收費(fèi)站立柱受到屋蓋上荷載的軸向壓力;海洋平臺(tái)圓鋼管柱受到自重及其他偶然荷載的軸壓力作用．所以鋼管受到撞擊時(shí),研究軸向壓力對(duì)其受沖擊性能的影響就顯得很有必要．文獻(xiàn)[7-10]在從事海洋平臺(tái)損傷研究時(shí),進(jìn)行帶軸力鋼管的準(zhǔn)靜態(tài)橫向荷載的實(shí)驗(yàn)研究和有限元分析,提出軸向壓力對(duì)鋼管所受橫向沖擊力和沖擊能量有較大影響,研究了不同邊界條件和幾何參數(shù)對(duì)變形的影響．通過(guò)有限元軟件ABAQUS對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行了模擬,將得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元模擬進(jìn)行比較,兩者結(jié)果基本吻合．證明了管結(jié)構(gòu)的沖擊力學(xué)性能用有限元軟件模擬和預(yù)測(cè)很合理．進(jìn)一步指出軸向力對(duì)受橫向沖擊的管結(jié)構(gòu)的變形、承載力影響較大．

本文對(duì)一端固支一端施加軸壓比分別為0,0.25和0.5軸壓力的薄壁圓管在經(jīng)受楔形錘體沖擊時(shí)的力學(xué)性能進(jìn)行了有限元研究,得到圓鋼管在不同軸壓力作用下經(jīng)受側(cè)向沖擊后對(duì)構(gòu)件破壞模態(tài)、承載力、變形和能量等沖擊性能的影響．

1 有限元模型

1.1 有限元模型的建立

本文采用有限元分析軟件ABAQUS進(jìn)行沖擊性能模擬,建立的模型分兩部分:楔形錘體和薄壁圓管試件．采用ABAQUS三維實(shí)體建模,分析過(guò)程中,采用三維八結(jié)點(diǎn)實(shí)體單元(C3D8R)．構(gòu)件信息如表1所示．沖擊示意圖如圖1.

表1 構(gòu)件信息表

圖1 軸向力作用下圓管側(cè)向沖擊示意圖

1.2 材料特性

本文采用Cowper-Symonds提出的考慮鋼材應(yīng)變率效應(yīng)的Cowper-Symonds模型進(jìn)行計(jì)算,其動(dòng)態(tài)屈服函數(shù)為

(1)

圖2 錘體尺寸平面圖

1.3 網(wǎng)格劃分、邊界條件及界面處理

為保證求解速度,薄壁圓管和落錘均以10 mm為網(wǎng)格尺寸的基準(zhǔn),楔形錘體在整個(gè)沖擊過(guò)程中變形很小,故定義為剛體．共劃分5 832個(gè)單元,共10 757個(gè)節(jié)點(diǎn)．邊界條件為一端固定,一端可縱向移動(dòng),便于施加軸向壓力．在模型中分別定義接觸的法向方向和切向方向,圓鋼管與沖擊錘之間的法向接觸定義為硬接觸(Hard Contact)．圓鋼管與落錘發(fā)生接觸產(chǎn)生切向摩擦力,庫(kù)倫摩擦系數(shù)取用鋼材與鋼材表面常用的摩擦系數(shù)0.2．

1.4 荷載的施加

荷載的施加包括兩部分:軸壓力的施加和沖擊荷載的施加．將落錘初始位置設(shè)置在構(gòu)件附近,并為構(gòu)件賦予初始速度的方式加載沖擊荷載;為真實(shí)地模擬軸力對(duì)薄壁圓管的影響,需在構(gòu)件受沖擊荷載之前施加軸力,并在沖擊過(guò)程中基本保持軸力不變．荷載的施加實(shí)際上是軸向壓力與沖擊力的耦合,模擬過(guò)程分為三部分.

(a)為圓鋼管施加足夠大的軸向力．由于圓鋼管在結(jié)構(gòu)中受到的軸向壓力多為靜力荷載,Step分析步中采用靜力加載軸向力．圓鋼管施加足夠大軸向力的目的是確定鋼管在軸力作用下屈服時(shí)彈簧加載的端部位移．在結(jié)果文件中取出一端反力和另一端彈簧位移,得到端反力達(dá)到屈服壓力(P=πDtσy)時(shí)的彈簧位移Δ．

(b)為圓鋼管施加軸壓比為n的軸向力．同樣采用靜力加載軸向力,彈簧端位移取為nΔ．啟動(dòng)Restart命令,將有限元模型的沖擊力、應(yīng)力-應(yīng)變和變形的計(jì)算結(jié)果輸入到Restart文件中．

(c)為圓鋼管構(gòu)件施加橫向沖擊荷載,對(duì)沖擊力和軸向壓力進(jìn)行耦合分析．在新建的圓鋼管受沖擊力模型中建2個(gè)Step,由于沖擊是動(dòng)力加載,故2個(gè)分析步均采用(Dynamic,Explicit)．第一個(gè)分析步是將(b)中得到的Restart文件導(dǎo)入到?jīng)_擊模型中,沖擊錘的初始位置設(shè)定在圓鋼管上方5 mm的位置,保證了落錘撞擊鋼管之前軸向力就已經(jīng)施加到圓鋼管上．第二個(gè)分析步是為圓鋼管施加沖擊荷載,在Load中為落錘定義速度．本有限元模型不考慮重力加速度對(duì)鋼管和落錘的影響．

2 抗沖擊性能分析

2.1 破壞模態(tài)

圖3給出了在相同的低速?zèng)_擊荷載作用下,不同大小軸壓比n作用的最終變形模態(tài)和跨中截面最終變形比較圖,從圖3可以看到,3種軸壓力作用下的變形,整體彎曲變形較小,以落錘沖擊構(gòu)件上表面的局部凹陷為主,且軸壓力越大,凹陷量越大．

比較n=0和n=0.25的最終變形模態(tài)可以發(fā)現(xiàn),在低軸壓力作用下,軸壓力對(duì)構(gòu)件的最終變形影響不大,而比較n=0和n=0.5軸壓力作用下構(gòu)件的最終變形模態(tài),發(fā)現(xiàn)軸壓力增加到一定量后,對(duì)最終的變形影響較大．

圖3 不同軸壓力作用下的變形模態(tài)比較

2.2 沖擊力時(shí)程曲線

沖擊力是衡量鋼管抗沖擊性能的重要指標(biāo)．圖4給出了在沖擊能量相同時(shí),軸壓比分別為0、0.25和0.5時(shí)圓鋼管的沖擊力時(shí)程曲線對(duì)比圖．

圖4 不同軸壓力作用下的沖擊力時(shí)程曲線

從圖4可以看出,不同軸壓比作用下的沖擊力時(shí)程曲線都是經(jīng)歷了3個(gè)階段:迅速加載、平臺(tái)值和卸載3個(gè)過(guò)程．隨著軸向壓力的增加,落錘與圓鋼管剛接觸瞬間的最大沖擊力逐漸增大,這主要是因?yàn)槭┘恿溯S向壓力將試件壓縮,相當(dāng)于增加圓鋼管的兩端約束．而且隨著軸向壓力的增加,沖擊力平臺(tái)值逐漸降低,沖擊持續(xù)的時(shí)間逐漸增加,沖擊力衰減的速度越慢．因?yàn)閳A鋼管受撞擊后出現(xiàn)橫向撓度,軸壓力的施加使試件產(chǎn)生P-δ效應(yīng),降低了試件的承載能力．

另外,有軸向力相對(duì)于無(wú)軸壓力的沖擊力曲線在沖擊過(guò)程中震蕩顯著,這主要是由于施加軸向力的彈簧不可能實(shí)現(xiàn)完全剛性,在沖擊過(guò)程中會(huì)隨著圓鋼管受撞擊縱向尺寸的改變而伸長(zhǎng)或縮短,進(jìn)而使試件受到軸向力的大小不斷改變,造成沖擊力曲線在沖擊過(guò)程中持續(xù)震蕩．

2.3 變形時(shí)程曲線

圖5給出了軸壓比分別為0、0.25和0.5時(shí)圓鋼管構(gòu)件跨中截面頂點(diǎn)的位移時(shí)程曲線．

圖5 不同軸壓力作用下的位移時(shí)程曲線

從圖5可以看出,隨著軸壓比的增加,構(gòu)件跨中位置的撓度逐漸增加．落錘沖擊試件后跨中撓度開始向下逐漸發(fā)展,然后落錘沖擊速度降低,位移曲線度逐漸平緩,跨中撓度增長(zhǎng)緩慢,隨后試件和沖擊錘的速度降為零,這時(shí)跨中撓度達(dá)到最大．試件產(chǎn)生的變形有塑性變形和彈性變形,之后試件將儲(chǔ)存在其中的彈性勢(shì)能釋放出來(lái),試件的彈性變形恢復(fù),跨中撓度開始降低,由于在模擬沖擊過(guò)程中存在摩擦,試件最終保持靜止,撓度達(dá)到最終值．

2.4 耗能分析

為衡量沖擊過(guò)程中構(gòu)件的能量轉(zhuǎn)換,對(duì)鋼管頂點(diǎn)的荷載-位移曲線進(jìn)行積分得到?jīng)_擊過(guò)程中各軸壓比作用下分別耗散的能量(圖6)．在落錘沖擊構(gòu)件的過(guò)程中,系統(tǒng)的動(dòng)能逐漸轉(zhuǎn)化為構(gòu)件變形耗能．而構(gòu)件變形耗能主要由兩部分組成:一部分由構(gòu)件的凹陷變形吸收;另一部分由構(gòu)件的整體彎曲變形吸收．

圖6 各軸壓比的能量耗散分析

從圖6(a)中可以看到,構(gòu)件變形所損耗的能量是隨著軸壓比的增加而逐漸增加．圖6(b)為在沖擊過(guò)程中鋼管變形所耗散的能量占系統(tǒng)總能量的比例．從圖6可見,隨著軸壓比的增加,變形耗能占總沖擊動(dòng)能的比例越來(lái)越大．

3 結(jié) 論

本文對(duì)一端固定一端可縱向移動(dòng)薄壁圓鋼管在不同軸壓比作用下經(jīng)受側(cè)向沖擊的動(dòng)力性能進(jìn)行了有限元研究,得到了以下主要結(jié)論:

(1)在低軸壓力作用下,軸壓力對(duì)構(gòu)件的最終變形影響不大;軸壓力增加到一定量后,對(duì)最終的變形影響較大．

(2)隨著軸壓比的增加,落錘與圓鋼管剛接觸瞬間的最大沖擊力逐漸增大,沖擊力平臺(tái)值逐漸降低,沖擊持續(xù)的時(shí)間逐漸增加,沖擊力衰減的速度越慢．

(3)軸壓比的增加,使構(gòu)件跨中位置的撓度逐漸增加．說(shuō)明軸向壓力的施加,加劇了圓鋼管相應(yīng)位置撓度的增加．

(4)隨著軸壓比的增加,變形所耗散的能量逐漸增大,變形耗能占總沖擊動(dòng)能的比例越來(lái)越大．

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