殘余應(yīng)力對材料性能和不銹鋼自蔓延高溫合成柱行為的影響

1、殘余應(yīng)力對材料性能和不銹鋼自蔓延高溫合成柱行為的影響 課程：彈性與塑性力學(xué)基礎(chǔ) 學(xué)校： 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 學(xué)院：材料科學(xué)與工程學(xué)院 班級： 1209102 姓名： 孫雄凱 學(xué)號： 1120910214 郵箱： 2014年11月15日殘余應(yīng)力對材料性能和不銹鋼自蔓延高溫合成柱行為的影響摘要：本文描述了形成誘導(dǎo)殘余應(yīng)力的不銹鋼SHS（立方空心型材），還有材料本身和壓縮組分的行為的影響。關(guān)于彈性和非線性的初始彈性模量的應(yīng)力 - 應(yīng)變圖中的殘余應(yīng)力的貢獻示出由作為交付和應(yīng)力消除材料的比較。分析模型涵蓋了殘余應(yīng)力對材料性能的影響進行了研究和數(shù)字驗證。使用Abaqus軟件進行有限元研究決定殘余應(yīng)力壓縮的成分

2、無論在局部和整體的影響。最后，本研究對構(gòu)件的行為包括不同程度的材料非線性的作為表示各種鋼中的長和短柱與殘余應(yīng)力的行為的獨立參數(shù)的影響。關(guān)鍵字：不銹鋼;立方空心截面;殘余應(yīng)力;冷成型1.簡介不銹鋼被越來越多地用作結(jié)構(gòu)件，尤其是在矩形或圓形冷彎空心型材的形式。最近出版的報告對不銹鋼橢圓截面的性能進行分析。本文的重點是由奧氏體不銹鋼1.4301級這是最常用的等級的不銹鋼的空心方形截面（SHS）。但是，提出被認為結(jié)果是有效的其他奧氏體不銹鋼和鐵素體也和雙相不銹鋼。形成薄壁結(jié)構(gòu)的過程中引起的可能對結(jié)構(gòu)行為一個顯著影響殘余應(yīng)力。在冷彎部分的殘余應(yīng)力，通常期望具有一個大的彎曲分量和相對低的膜成分;這些殘留的

3、應(yīng)力是熱引起的在焊接或熱軋部分。在不銹鋼部分受到壓縮，彎曲大的殘留縱向彎曲應(yīng)力實驗性研究已經(jīng)測量。殘余應(yīng)力為碳鋼SHS由密鑰和漢考克測定，并提出了其在兩個方向上的分布的模型。講的全不銹鋼SHS / RHS的第一個測量由楊和呂出版和克魯斯和加德納，其中還提出了縱向彎曲部分的分布。黃與楊于2012年發(fā)表了測量一個新的雙相不銹鋼等級論文。在2011，預(yù)測公式，由Jandera和Machacek出為縱向（在該構(gòu)件軸線的方向）彎曲（ b.pl）和膜（ m的部分纖維網(wǎng)），以及橫向（沿）殘留的彎曲（ ）強調(diào)。彎曲部件是透過材料的厚度簡化由一個塑料的分布圖案。這種簡化也使用克魯斯和加德納。的塑料狀的應(yīng)力分布先

4、前呈現(xiàn)在Quach等人的分析模型。（除空心部分）和實驗中。測量兩個SHS，即SHS 100×100×3 120×120×43網(wǎng)發(fā)了言。做了顯著簡化的，特別是對于橫向彎曲分量（橫向應(yīng)力測量只在一個位置上，在所述幅材的中心）。為所有元件產(chǎn)生的方程式如下: m=(-0.253+1.483(X-X2）0.2 （1） b.pl=（0.833-1.866（X-X2）0.2 （2）  =-0.3760.2 （3） 其中X是沿卷筒紙寬度的相對距離（與X = 0和X = 1的扁平腹板的邊緣，X = 0.5為網(wǎng)絡(luò)的中心）和&

5、#160;0.2是材料中的0.2屈服強度中心的網(wǎng)絡(luò)的。加號用于張力和減號為壓應(yīng)力。殘余彎曲應(yīng)力，符號是與SHS的外表面（加裝置的內(nèi)表面上的張力在外表面上和壓縮）。應(yīng)力在按照式圍繞橫截面的縱向。(1)和(2)中示出了 圖1 和 圖2 ，這種分配被認為是以后提出的數(shù)值模擬研究。圖1殘余縱向膜應(yīng)力 m左右的方形空心截面，方程(1)。圖2 殘余縱向彎曲應(yīng)力 b.pl圍繞一個空心方形截面，方程(2)。除殘余應(yīng)力時，材料的特性也受到冷成形處理。冷彎空心部分的材料性質(zhì)已被許多研究人員。第一個結(jié)果給了角球強度的增加，并定義出角球區(qū)發(fā)表加德納。在最近的出版物通過Afshan等人和，其中多個部分進行了測試，強度提

6、高為平坦的部分也被賦予與先前的預(yù)測公式進行了修改。2.分析模型連同下面描述的有限元模型，分析模型被構(gòu)成了研究殘余應(yīng)力的應(yīng)力 - 應(yīng)變圖上的影響，也分析了有限元模型的結(jié)果。2.1型號說明分析模型包括兩個層（圖3），通過腹板厚度。塑料材料的響應(yīng)假設(shè)·馮·米塞斯的屈服和普朗特-羅伊斯流動規(guī)律進行了審議。假設(shè)簡化了不銹鋼的行為的真實材料的響應(yīng)，而忽略了例如各向異性，非對稱性，因冷成型同比增長極限強度。該模型是建立在楓樹數(shù)學(xué)軟件; 完整的代碼發(fā)表在文獻。一種類似的方法，使用由Quach等人對殘余應(yīng)力的預(yù)測由于冷成型的不銹鋼部分，或由Rossi等。對于強度增強預(yù)測。2.2材料

7、特性使用來自兩個SHS桿取試樣的拉伸試驗的模型的準確性進行了研究（SHS 100×100×3和SHS 120×120×4），這在以前研究了殘余應(yīng)力。從他們兩個，一個標本是消除應(yīng)力用650退火。該屬性定義由加德納和Nethercot開發(fā)出一種化合物應(yīng)力-應(yīng)變圖作為Mirambell的變形和Real化合物示意圖，在那里Ë 0是初始的彈性模量， 0.2的0.2屈服強度， 1.0的1.0屈服強度， ü 極限拉伸強度,， 圖3 彎曲應(yīng)力近似分析模型考慮。 ñ 的拉姆貝格-奧斯古德硬化指數(shù)，改性拉姆貝格-奧

8、斯古德硬化指數(shù)為圖的使用第二階段 0.2和 1.0。此化合物圖表隨后被用來研究最多建模為1屈服強度的精度。在材料非線性一個顯著的差異（不同的拉姆貝格-奧斯古德硬化指數(shù)ñ）和初始剛度的細微變化是顯而易見的，從與作為交付（F）比較和消除應(yīng)力（FA）的標本。的差值被分配給剩余的縱向彎曲應(yīng)力在作為輸送的試樣（這是由拉伸試驗重新引入）的存在。2.3殘余應(yīng)力的引入隨著試樣的測試對比，進行分析建模。該模型是基于其中的殘余應(yīng)力的縱向彎曲成分，所采用的消除應(yīng)力材料模型。因為所有的試樣取自網(wǎng)絡(luò)中心，應(yīng)力被認為是這一部分的截面。根據(jù)殘余應(yīng)力測量中，略有不同的大小被用于SHS 100&#

9、215;100×3和SHS 120×120×4。對于SHS 100×100×3，應(yīng)力，計算在公式（4），以及用于SHS 120×120×4在方程（5）從作為輸送的試樣的0.2屈服強度 （4） （5）其它組分（膜和橫向彎曲應(yīng)力）可被假定為在拉伸試驗為零。因此，縱向彎曲應(yīng)力分量是唯一一個需要考慮的。以獲得的應(yīng)力-應(yīng)變圖，其可與拉伸試驗相比，該應(yīng)力是通過先前描述的方法（計算迭代）模擬單軸應(yīng)變增加。2.4模型驗證圖4 和 圖5比較的拉伸試樣的測試結(jié)果和分析模型的結(jié)果?？紤]到該模型的簡化，如采取通過厚度和其特征在于，所述化合物框圖略微

10、簡化的應(yīng)力-應(yīng)變行為完全塑性的殘余彎曲應(yīng)力分布，該剩余應(yīng)力的影響是合理的近似。然而，該預(yù)測是相當(dāng)準確的起始部分，這對壓縮部件的壓曲是必不可少的。分析模型的數(shù)學(xué)正確性也通過的試樣試驗的有限元模型確定，并且?guī)缀跸嗤那€進行了觀察。圖4 SHS 100×100×3樣品：作為輸送的（F）的應(yīng)力消除（FA）和其中縱彎曲應(yīng)力由分析模型引入的應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線。圖選項圖5 SHS 120×120×4試樣：作為輸送的（F）的應(yīng)力消除（FA）和其中縱彎曲應(yīng)力由分析模型引入的應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線。2.5結(jié)果分析模型結(jié)果證實，彈性和材料非線性的彈性模量在很大程度上取

11、決于殘余應(yīng)力大?。ㄅc殘余應(yīng)力的幅度增加）。因此，該材料的非線性是即使對于具有冷成形，但不同的殘余應(yīng)力，即空心的或打開的部分的類似大小的部分不同。作為一個例子，測拉姆貝格-奧斯古德硬化指數(shù)Ñ可用于平面部分和SHS的角落。系數(shù)Ñ 為平坦部是在比對中的6 SHS由Jandera等人測試了測量角的平均值約低18（即較大的非線性）。即使在角部區(qū)域進行冷成形，這增加了非線性（如在參考文獻證明之前。），則顯著較大的殘余應(yīng)力，在平坦部件造成更大的非線性。以上給出的結(jié)果顯示的殘余應(yīng)力分布的前面提到的簡化，它也被用來在下面的FE研究的適用性。分析模型的另一目的是允許估計殘余應(yīng)力的分類材料行為時

12、用于作為交付的部分僅試樣進行測試。作為殘余應(yīng)力是已知時，殘余應(yīng)力的分類的材料特性，計算迭代。由于在迭代計算過程中，分析模型被認為是更多的時間效率比試樣（當(dāng)然，也可以用于分析）的有限元模型。3.有限元模型的殘余應(yīng)力分布的所提出的模型隨后被引入到有限元模型，將其成功地驗證在參考文獻和包含該模型的詳細說明。殘余應(yīng)力的影響參數(shù)研究分為兩部分：一部分集中在殘余應(yīng)力對全球柱屈曲，其中一個固定柱為藍本，其他局部網(wǎng)只屈曲，這是由一個存根列所代表的影響模型。邊界條件示于 圖6。3.1初始幾何缺陷 測試之前局部幾何缺陷被認為是在最低的局部壓曲模式的試樣測得的振幅的形狀（供SHS 120×120×

13、;4它為0.84毫米）。這些網(wǎng)頁撓度引入短柱的模型以及長列。此外，全球初始幾何柱撓度是由最低全局屈曲征模式與振幅引入長柱模型L / 2000，其中，L是列長度。提出這個值由加德納如平均值，并通過巡航和加德納最近證實。圖6 短線的有限元模型和參數(shù)研究使用長柱。為了研究殘余應(yīng)力的影響，不完善的平均幅度進行了介紹。利用缺陷的安全（大）幅度將意味著負載容量較小的殘余應(yīng)力的貢獻。3.2殘余應(yīng)力殘余彎曲應(yīng)力在6集成點被引入通過網(wǎng)絡(luò)與厚度的二次積分。建議殘余應(yīng)力模式中引入了五種模式：l 膜：只有縱向薄膜應(yīng)力，l 縱向：縱向膜和彎曲應(yīng)力，l 馬克斯。縱向：縱向膜，并采取的上限為95預(yù)測區(qū)間的哪彎曲應(yīng)

14、力，l 所有：縱向膜和彎曲應(yīng)力以及橫向彎曲應(yīng)力，l 馬克斯。所有：縱向的膜和彎曲應(yīng)力以及橫向彎曲應(yīng)力，殘余縱向彎曲應(yīng)力分別作為上限的95預(yù)測區(qū)間的。在角部，在沒有進行測定的殘余彎曲應(yīng)力，被忽略的數(shù)據(jù)。如先前由克魯斯和加德納所示，在角部的殘余彎曲應(yīng)力都很低。這意味著，在該角部增加的強度和角部的相對小的面積合計，其對整個構(gòu)件的阻力效果是微不足道的。在角部的殘余縱向薄膜應(yīng)力總是計算從平衡的，在整個橫截面的情況。它們的幅度是非常低的。與此對應(yīng)的由克魯斯和加德納提出的結(jié)論提出的鑰匙和考克和圖案對碳鋼SHS。4.參數(shù)研究基于SHS 120×120×4這項研究是基于SHS 120

15、5;120×4在布拉格捷克技術(shù)大學(xué)的測試。所有主要的幾何和材料特性進行測定。測量，以進行拐角處的材料特性。為平坦的部分，剩余的彎曲應(yīng)力成分的影響的分析模型中除去。所得到的應(yīng)力-應(yīng)變圖，因此，對應(yīng)于應(yīng)力消除材料的關(guān)系。假定增強的拐角屬性其由彎曲角部加上的角部兩側(cè)的腹板厚度兩倍的距離的角部區(qū)域（由加德納提出了二手煙）。4.1殘余應(yīng)力對整體穩(wěn)定的影響通過分析不同長度的列模型，對全球屈曲能力在長細范圍內(nèi)的殘余彎曲和薄膜應(yīng)力的影響進行了評估。該項研究的結(jié)果示于 圖7 。圖7 對長柱的承載力殘余應(yīng)力的影響參數(shù)研究。為無量綱的長細（定義為屈服載荷和彈性屈曲載荷之比的平方根）高達1.3，殘余應(yīng)力可以

16、被視為對承載能力產(chǎn)生積極的影響。除了這個細，有負面影響是顯而易見的。在所研究的長細范圍，列入殘余應(yīng)力引起的電阻的變化之間的-16到+ 10和-20到+14，如果該上限的95預(yù)測區(qū)間為將殘余縱向彎曲應(yīng)力被認為。殘留的薄膜應(yīng)力的影響是可以忽略不計的整個就業(yè)細長范圍。電阻的變化主要起因于殘余彎曲應(yīng)力對非線性的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響。殘余應(yīng)力的積極影響，即當(dāng)列故障株增加切線模量區(qū)域相一致。這被示出為在剩余的縱向彎曲應(yīng)力 圖8 ，其中有和沒有殘余縱向的彎曲應(yīng)力的材料響應(yīng)被描繪（殘余應(yīng)力對紙幅的平均幅度被采用）。含有殘余應(yīng)力的材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看作是持續(xù)低于殘余應(yīng)力自由曲線（即割線模量總是低于）。然而

17、，這不是有效的正切模量，這是眾所周知的是在控制列耐壓曲性的根本。低于約0.12的應(yīng)變時，應(yīng)力自由曲線的切線模量高于含曲線的殘余應(yīng)力較高。相反，對于較高的菌株中，情況正好相反。圖8 應(yīng)力 - 應(yīng)變關(guān)系（左圖）和材料有和沒有殘余的縱向彎曲的正切模量（右）強調(diào)有效SHS 120×120×4的平均幅值。它遵循由 圖9 ，在這里列的載荷-應(yīng)變曲線示（株表示軸向變形的柱長度的比率;同樣在 圖11 ），即具有高達1.3的細柱的失敗菌株達到超過0.12。即，在發(fā)現(xiàn)殘余縱向彎曲應(yīng)力有對切線模量產(chǎn)生積極影響的范圍內(nèi)。圖9 長柱的荷載 - 應(yīng)變圖。對于較高的柱長細（），低級菌株在極限荷

18、載達到。因此，該切線模量為殘留的彎曲應(yīng)力都包括一個材料比材料的切線模量無殘余應(yīng)力（下圖8），并因此殘余縱向彎曲應(yīng)力被發(fā)現(xiàn)，以減少承載能力。殘余應(yīng)力的大小明顯地影響在承載能力的變化。人們發(fā)現(xiàn)，通過考慮平均殘余縱向彎曲應(yīng)力值，而不是上限的預(yù)測間隔的，列響應(yīng)于殘余應(yīng)力的存在下的敏感性幾乎減半為最敏感的長細的范圍（）。對于高長細（），差異有低。所不同的是，當(dāng)較高也包括橫向彎曲應(yīng)力。4.2殘余應(yīng)力對局部屈曲的影響殘余應(yīng)力的局部屈曲能力的影響以相同的方式進行評價，以上述研究全球屈曲。不同的局部網(wǎng)長細帶和不帶殘余應(yīng)力的短柱模型進行了檢查。該結(jié)果示于 圖 10。殘余應(yīng)力的負荷承載能力而言的最大影響是9和11，

19、如果在上限的95預(yù)測區(qū)間為將殘余縱向彎曲應(yīng)力被考慮。雖然影響比在列屈曲結(jié)果略較不敏感，類似的結(jié)論可以得出。殘余膜應(yīng)力的影響也被發(fā)現(xiàn)是微不足道相比于彎曲部件的影響。圖10 對短柱承載能力的殘余應(yīng)力的影響參數(shù)研究。然而，主要的區(qū)別在于，對于局部屈曲，殘余應(yīng)力沒有負面影響的發(fā)生。這是由于在后屈曲行為，這增加了破壞應(yīng)變?yōu)榉浅＜毨w維網(wǎng)。在相反的列的后屈曲特性，局部屈曲失效應(yīng)變總是大于0.12（圖11），其中，殘余應(yīng)力對切線模量產(chǎn)生積極的影響。圖11 短柱荷載 - 應(yīng)變圖。觀察到中等細的殘余彎曲應(yīng)力的影響最大（= 1.01.3），其中列的靈敏度是大的，并在切線模量在失效應(yīng)變的材料之間有或沒有彎曲應(yīng)力的差是

20、最高的。5.參數(shù)研究對拉姆貝格，奧斯古德硬化指數(shù)的影響為了解釋的殘余應(yīng)力的各種非線性材料的影響，進行了第二參量研究。為簡單起見，公式中僅一階段拉姆貝格-奧斯古德圖。（6）被用于整個橫截面面積中的所有模型 (6)其中，是應(yīng)變和的應(yīng)力。根據(jù)歐洲規(guī)范1993年1月4日，即0.2屈服強度被認為是 0.2 = 230兆帕為1.4301級。硬化指數(shù)ñ取為：l Ñ = 4，表示冷彎奧氏體鋼l ñ = 6，較退火奧氏體鋼，l Ñ =16，相當(dāng)于不銹鋼的最低非線l Ñ =，較普通碳鋼雙線性應(yīng)力-應(yīng)變圖。

21、l 初始幾何缺陷和殘余應(yīng)力被用作以上。5.1殘余應(yīng)力和全球屈曲材料非線性的參數(shù)分析，進行了一列細長的范圍從0.8到1.8，但兩個最有代表性的長細值的唯一的結(jié)果 = 1.0和1.8都在這里示出（圖12和圖13）。圖12殘余應(yīng)力對長柱的承載能力的影響 = 1.0根據(jù)拉姆貝格-奧斯古德因素ñ。圖 13 殘余應(yīng)力對長柱的承載能力的影響 = 1.8根據(jù)拉姆貝格-奧斯古德因素ñ。結(jié)果表明，殘余應(yīng)力對于非線性材料（Ñ= 46）可以增加承載能力為介質(zhì)的長細（= 1.0），但高長細（= 1.8）正好相反。對材料與較少的非線性應(yīng)力-應(yīng)變圖，特別

22、是對于雙線性應(yīng)力-應(yīng)變圖（例如碳鋼），列入殘余應(yīng)力總是導(dǎo)致在如通常由密鑰已知和數(shù)字確認為SHS的負載容量的降低和漢考克。這是由于它提供了無或低應(yīng)變硬化超過屈服強度的材料的剛度顯著下降。殘余應(yīng)力的膜成分的影響總是低。殘余應(yīng)力的影響的大小，但是，是相當(dāng)高估在本研究中，由于材料特性的簡化。在角部區(qū)域的材料的高強度化以及一個稍微不同的應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線圖（更好的化合物拉姆貝格-奧斯古德圖所示）將顯著抑制殘余應(yīng)力的影響。5.2殘余應(yīng)力和材料非線性的局部屈曲該研究集中于局部彎曲的第二部分顯示了相似的結(jié)果（為= 1.0和1.8，參見 圖14和圖15）。然而，幅度是不同的。如在基于真實的材料特性先前的研究中，

23、殘余應(yīng)力的效果總是正對非常非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，而對于雙線性材料框圖它始終是負的。殘留的薄膜應(yīng)力的影響是可以忽略不計于所有情況。圖14 殘余應(yīng)力對短柱的承載能力與影響力= 1.0根據(jù)拉姆貝格-奧斯古德因素ñ。圖15 殘余應(yīng)力對短柱的承載能力與影響力= 1,8按照拉姆貝格-奧斯古德因素ñ。6.結(jié)論本文介紹了殘余應(yīng)力的應(yīng)力 - 應(yīng)變關(guān)系和結(jié)構(gòu)用不銹鋼空心截面柱的行為的影響的數(shù)值研究。利用幾何和物質(zhì)的非線性有限元分析廣泛的數(shù)值參數(shù)研究進行處理長期和短柱，以確定殘余應(yīng)力對全局和局部屈曲的影響。結(jié)果是用以前的實驗結(jié)果驗證。矛盾的是，人們發(fā)現(xiàn)，包含殘余應(yīng)力可能導(dǎo)致在某些情況下，增加了負荷承載能力。這是主要歸因于殘余彎曲應(yīng)力的材料的應(yīng)力 -