残余应力对材料性能和不锈钢自蔓延高温合成柱行为的影响

1、残余应力对材料性能和不锈钢自蔓延高温合成柱行为的影响课程：弹性与塑性力学基础学校：哈尔滨工业大学学院：材料科学与工程学院班级：1209102姓名：孙雄凯学号：14邮箱：2014年11月15日残余应力对材料性能和不锈钢自蔓延高温合成柱行为的影响摘要：本文描述了形成诱导残余应力的不锈钢SHS（立方空心型材），还有材料本身和压缩组分的行为的影响。关于弹性和非线性的初始弹性模量的应力- 应变图中的残余应力的贡献示出由作为交付和应力消除材料的比较。分析模型涵盖了残余应力对材料性能的影响进行了研究和数字验证。使用Abaqus 软件进行有限元研究决定残余应力压缩的成分无论在局部和整体的影响。 最后，本研究对

2、构件的行为包括不同程度的材料非线性的作为表示各种钢中的长和短柱与残余应力的行为的独立参数的影响。关键字： 不锈钢 ;立方空心截面 ;残余应力 ;冷成型1.简介不锈钢被越来越多地用作结构件，尤其是在矩形或圆形冷弯空心型材的形式。最近出版的报告对不锈钢椭圆截面的性能进行分析。本文的重点是由奥氏体不锈钢级这是最常用的等级的不锈钢的空心方形截面（ SHS）。但是，提出被认为结果是有效的其他奥氏体不锈钢和铁素体也和双相不锈钢。形成薄壁结构的过程中引起的可能对结构行为一个显著影响残余应力。在冷弯部分的残余应力，通常期望具有一个大的弯曲分量和相对低的膜成分 ;这些残留的应力是热引起的在焊接或热轧部分。在不锈

3、钢部分受到压缩，弯曲大的残留纵向弯曲应力实验性研究已经测量。残余应力为碳钢 SHS由密钥和汉考克测定，并提出了其在两个方向上的分布的模型。讲的全不锈钢 SHS / RHS的第一个测量由杨和吕出版和克鲁斯和加德纳，其中还提出了纵向弯曲部分的分布。黄与杨于 2012 年发表了测量一个新的双相不锈钢等级论文。在 2011 ，预测公式，由 Jandera 和 Machacek出为纵向（在该构件轴线的方向）弯曲（ ）和膜（ m 的部分纤维网），以及横向（沿）残留的弯曲（ ）强调。弯曲部件是透过材料的厚度简化由一个塑料的分布图案。这种简化也使用克鲁斯和加德纳。的塑料状的应力分布先前呈现在 Quach 等人

4、的分析模型。（除空心部分）和实验中。测量两个SHS，即 SHS 100× 100×3 120× 120× 43 网发了言。做了显著简化的，特别是对于横向弯曲分量（横向应力测量只在一个位置上，在所述幅材的中心）。为所有元件产生的方程式如下 : m = + ( X- X2 ） （ 1） = （ X- X 2 ） （ 2） = （ 3）其中 X 是沿卷筒纸宽度的相对距离（与X = 0和 X = 1 的扁平腹板的边缘， X = 为网络的中心）和 是材料中的屈服强度中心的网络的。加号用于张力和减号为压应力。残余弯曲应力，符号是与 SHS的外表面（加装置的内表面上的

5、张力在外表面上和压缩） 。应力在按照式围绕横截面的纵向。 (1)和 (2)中示出了 图 1 和 图 2 ，这种分配被认为是以后提出的数值模拟研究。图 1 残余纵向膜应力 m 左右的方形空心截面，方程(1)。图 2 残余纵向弯曲应力 围绕一个空心方形截面，方程(2)。除残余应力时，材料的特性也受到冷成形处理。冷弯空心部分的材料性质已被许多研究人员。第一个结果给了角球强度的增加，并定义出角球区发表加德纳。 在最近的出版物通过 Afshan 等人和，其中多个部分进行了测试，强度提高为平坦的部分也被赋予与先前的预测公式进行了修改。2.分析模型连同下面描述的有限元模型，分析模型被构成了研究残余应力的应力

6、 - 应变图上的影响， 也分析了有限元模型的结果。型号说明分析模型包括两个层（图 3），通过腹板厚度。塑料材料的响应假设·冯·米塞斯的屈服和普朗特 -罗伊斯流动规律进行了审议。 假设简化了不锈钢的行为的真实材料的响应，而忽略了例如各向异性，非对称性，因冷成型同比增长极限强度。该模型是建立在枫树数学软件 ; 完整的代码发表在文献。一种类似的方法，使用由Quach 等人对残余应力的预测由于冷成型的不锈钢部分， 或由 Rossi 等。对于强度增强预测。材料特性使用来自两个SHS杆取试样的拉伸试验的模型的准确性进行了研究（SHS 100×100×3和 SHS12

7、0 × 120 ×4），这在以前研究了残余应力。从他们两个，一个标本是消除应力用 650退火。该属性定义由加德纳和 Nethercot 开发出一种化合物应力 -应变图作为 Mirambell 的变形和 Real 化合物示意图，在那里? 0 是初始的弹性模量，的屈服强度，的屈服强度， ü 极限拉伸强度 ,，图 3 弯曲应力近似分析模型考虑。? 的拉姆贝格 -奥斯古德硬化指数，改性拉姆贝格 -奥斯古德硬化指数为图的使用第二阶段和 。此化合物图表随后被用来研究最多建模为1屈服强度的精度。在材料非线性一个显著的差异（不同的拉姆贝格 -奥斯古德硬化指数 ?）和初始刚度的细微

8、变化是显而易见的，从与作为交付（ F）比较和消除应力（ FA）的标本。的差值被分配给剩余的纵向弯曲应力在作为输送的试样（这是由拉伸试验重新引入）的存在。残余应力的引入随着试样的测试对比，进行分析建模。该模型是基于其中的残余应力的纵向弯曲成分，所采用的消除应力材料模型。因为所有的试样取自网络中心，应力被认为是这一部分的截面。根据残余应力测量中，略有不同的大小被用于 SHS 100× 100× 3 和 SHS 120× 120×4。对于 SHS 100× 100× 3，应力，计算在公式（ 4），以及用于 SHS 120×120&

9、#215; 4 在方程 （5）从作为输送的试样的屈服强度（ 4）（ 5）其它组分（膜和横向弯曲应力）可被假定为在拉伸试验为零。因此，纵向弯曲应力分量是唯一一个需要考虑的。以获得的应力 -应变图，其可与拉伸试验相比，该应力是通过先前描述的方法（计算迭代）模拟单轴应变增加。模型验证图 4 和 图 5 比较的拉伸试样的测试结果和分析模型的结果。考虑到该模型的简化，如采取通过厚度和其特征在于，所述化合物框图略微简化的应力 - 应变行为完全塑性的残余弯曲应力分布，该剩余应力的影响是合理的近似。然而，该预测是相当准确的起始部分，这对压缩部件的压曲是必不可少的。分析模型的数学正确性也通过的试样试验的有限元模

10、型确定，并且几乎相同的曲线进行了观察。图 4 SHS 100×100×3 样品：作为输送的（ F）的应力消除（ FA）和其中纵弯曲应力由分析模型引入的应力- 应变曲线。图选项图 5 SHS 120×120×4试样：作为输送的（ F）的应力消除（ FA）和其中纵弯曲应力由分析模型引入的应力- 应变曲线。结果分析模型结果证实，弹性和材料非线性的弹性模量在很大程度上取决于残余应力大小（与残余应力的幅度增加）。因此，该材料的非线性是即使对于具有冷成形，但不同的残余应力，即空心的或打开的部分的类似大小的部分不同。作为一个例子， 测拉姆贝格 -奥斯古德硬化指数 ?

11、可用于平面部分和 SHS的角落。系数 ? 为平坦部是在比对中的 6 SHS由 Jandera 等人测试了测量角的平均值约低 18（即较大的非线性）。即使在角部区域进行冷成形，这增加了非线性（如在参考文献证明之前。），则显著较大的残余应力，在平坦部件造成更大的非线性。以上给出的结果显示的残余应力分布的前面提到的简化， 它也被用来在下面的 FE 研究的适用性。SHS。分析模型的另一目的是允许估计残余应力的分类材料行为时用于作为交付的部分仅试样进行测试。作为残余应力是已知时，残余应力的分类的材料特性， 计算迭代。 由于在迭代计算过程中，分析模型被认为是更多的时间效率比试样 （当然，也可以用于分析）的

12、有限元模型。3.有限元模型的残余应力分布的所提出的模型随后被引入到有限元模型，将其成功地验证在参考文献和包含该模型的详细说明。残余应力的影响参数研究分为两部分：一部分集中在残余应力对全球柱屈曲，其中一个固定柱为蓝本， 其他局部网只屈曲，这是由一个存根列所代表的影响模型。边界条件示于图6。初始几何缺陷测试之前局部几何缺陷被认为是在最低的局部压曲模式的试样测得的振幅的形状（供 SHS 120× 120× 4 它为毫米）。这些网页挠度引入短柱的模型以及长列。此外，全球初始几何柱挠度是由最低全局屈曲征模式与振幅引入长柱模型L /2000，其中， L 是列长度。提出这个值由加德纳如平

13、均值，并通过巡航和加德纳最近证实。图 6短线的有限元模型和参数研究使用长柱。为了研究残余应力的影响，不完善的平均幅度进行了介绍。利用缺陷的安全（大）幅度将意味着负载容量较小的残余应力的贡献。残余应力残余弯曲应力在 6 集成点被引入通过网络与厚度的二次积分。建议残余应力模式中引入了五种模式：膜：只有纵向薄膜应力，纵向：纵向膜和弯曲应力，马克斯。纵向：纵向膜，并采取的上限为 95预测区间的哪弯曲应力，所有：纵向膜和弯曲应力以及横向弯曲应力，马克斯。所有：纵向的膜和弯曲应力以及横向弯曲应力，残余纵向弯曲应力分别作为上限的 95预测区间的。在角部，在没有进行测定的残余弯曲应力，被忽略的数据。如先前由克

14、鲁斯和加德纳所示，在角部的残余弯曲应力都很低。这意味着，在该角部增加的强度和角部的相对小的面积合计，其对整个构件的阻力效果是微不足道的。在角部的残余纵向薄膜应力总是计算从平衡的，在整个横截面的情况。它们的幅度是非常低的。与此对应的由克鲁斯和加德纳提出的结论提出的钥匙和考克和图案对碳钢4.参数研究基于 SHS 120×120×4这项研究是基于 SHS 120×120× 4 在布拉格捷克技术大学的测试。所有主要的几何和材料特性进行测定。测量，以进行拐角处的材料特性。为平坦的部分，剩余的弯曲应力成分的影响的分析模型中除去。所得到的应力 -应变图，因此，对应于应

15、力消除材料的关系。假定增强的拐角属性其由弯曲角部加上的角部两侧的腹板厚度两倍的距离的角部区域（由加德纳提出了二手烟）。残余应力对整体稳定的影响通过分析不同长度的列模型，对全球屈曲能力在长细范围内的残余弯曲和薄膜应力的影响进行了评估。该项研究的结果示于图 7 。图 8 应力 - 应变关系（左图）和材料有和没有残余的纵向弯曲的正切模量（右）强调有效SHS 120×120× 4 的平均幅值。它遵循由图 9 ，在这里列的载荷-应变曲线示（株表示轴向变形的柱长度的比率;同样在图11 ），即具有高达的细柱的失败菌株达到超过。即，在发现残余纵向弯曲应力有对切线模量产生积极影响的范围内。图

16、 7对长柱的承载力残余应力的影响参数研究。为无量纲的长细（定义为屈服载荷和弹性屈曲载荷之比的平方根）高达，残余应力可以被视为对承载能力产生积极的影响。除了这个细，有负面影响是显而易见的。在所研究的长细范围，列入残余应力引起的电阻的变化之间的-16到 +10和 -20到 +14，如果该上限的95预测区间为将残余纵向弯曲应力被认为。残留的薄膜应力的影响是可以忽略不计的整个就业细长范围。电阻的变化主要起因于残余弯曲应力对非线性的应力 - 应变曲线的影响。残余应力的积极影响，即当列故障株增加切线模量区域相一致。这被示出为在剩余的纵向弯曲应力图 8 ，其中有和没有残余纵向的弯曲应力的材料响应被描绘（残余

17、应力对纸幅的平均幅度被采用）。含有残余应力的材料的应力-应变曲线可以看作是持续低于残余应力自由曲线（即割线模量总是低于）。然而，这不是有效的正切模量，这是众所周知的是在控制列耐压曲性的根本。低于约的应变时，应力自由曲线的切线模量高于含曲线的残余应力较高。相反，对于较高的菌株中，情况正好相反。图 9长柱的荷载- 应变图。对于较高的柱长细（），低级菌株在极限荷载达到。因此，该切线模量为残留的弯曲应力都包括一个材料比材料的切线模量无残余应力（下 图 8），并因此残余纵向弯曲应力被发现，以减少承载能力。残余应力的大小明显地影响在承载能力的变化。人们发现，通过考虑平均残余纵向弯曲应力值，而不是上限的预测

18、间隔的，列响应于残余应力的存在下的敏感性几乎减半为最敏感的长细的范围（ ）。对于高长细（ ），差异有低。所不同的是，当较高也包括横向弯曲应力。残余应力对局部屈曲的影响残余应力的局部屈曲能力的影响以相同的方式进行评价，以上述研究全球屈曲。不同的局部网长细带和不带残余应力的短柱模型进行了检查。该结果示于 图 10。残余应力的负荷承载能力而言的最大影响是 9和 11，如果在上限的95预测区间为将残余纵向弯曲应力被考虑。虽然影响比在列屈曲结果略较不敏感，类似的结论可以得出。残余膜应力的影响也被发现是微不足道相比于弯曲部件的影响。(6)其中， 是应变和 的应力。根据欧洲规范1993 年 1 月 4 日，

19、即屈服强度被认为是 = 230兆帕为级。硬化指数 ? 取为：? = 4，表示冷弯奥氏体钢? = 6，较退火奥氏体钢，图 10 对短柱承载能力的残余应力的影响参数研究。? =16，相当于不锈钢的最低非线然而，主要的区别在于，对于局部屈曲，残? =，较普通碳钢双线性应力 -应变图。余应力没有负面影响的发生。这是由于在后屈曲行为，这增加了破坏应变为非常细纤维网。在相初始几何缺陷和残余应力被用作以上。反的列的后屈曲特性，局部屈曲失效应变总是大于（ 图 11），其中，残余应力对切线模量产生残余应力和全球屈曲材料非线性积极的影响。的参数分析，进行了一列细长的范围从到，但两个最有代表性的长细值的唯一的结果=

20、 和都在这里示出（ 图 12 和图 13）。图 11短柱荷载- 应变图。观察到中等细的残余弯曲应力的影响最大（ = ? ），其中列的灵敏度是大的，并在切线模量在失效应变的材料之间有或没有弯曲应力的差是最高的。5.参数研究对拉姆贝格，奥斯古德硬化指数的影响为了解释的残余应力的各种非线性材料的影响，进行了第二参量研究。为简单起见，公式中仅一阶段拉姆贝格 -奥斯古德图。 （ 6）被用于整个横截面面积中的所有模型图 12 残余应力对长柱的承载能力的影响= 根据拉姆贝格 - 奥斯古德因素 ?。图 13 残余应力对长柱的承载能力的影响= 根据拉姆贝格 -奥斯古德因素 ?。结果表明，残余应力对于非线性材料（

21、? = 4? 6）可以增加承载能力为介质的长细（= ），但高长细（= ）正好相反。对材料与较少的非线性应力 -应变图， 特别是对于双线性应力 -应变图（例如碳钢），列入残余应力总是导致在如通常由密钥已知和数字确认为SHS 的负载容量的降低和汉考克。这是由于它提供了无或低应变硬化超过屈服强度的材料的刚度显著下降。残余应力的膜成分的影响总是低。残余应力的影响的大小，但是，是相当高估在本研究中，由于材料特性的简化。在角部区域的材料的高强度化以及一个稍微不同的应力 - 应变曲线图 （更好的化合物拉姆贝格 -奥斯古德图所示）将显著抑制残余应力的影响。残余应力和材料非线性的局部屈曲该研究集中于局部弯曲的第

22、二部分显示了相似的结果（为 = 和，参见 图 14 和图 15）。然而，幅度是不同的。如在基于真实的材料特性先前的研究中，残余应力的效果总是正对非常非线性应力 -应变关系， 而对于双线性材料框图它始终是负的。残留的薄膜应力的影响是可以忽略不计于所有情况。图 14 残余应力对短柱的承载能力与影响力= 根据拉姆贝格 -奥斯古德因素 ?。图 15残余应力对短柱的承载能力与影响力= 1,8 按照拉姆贝格 -奥斯古德因素 ?。6.结论本文介绍了残余应力的应力 - 应变关系和结构用不锈钢空心截面柱的行为的影响的数值研究。利用几何和物质的非线性有限元分析广泛的数值参数研究进行处理长期和短柱，以确定残余应力对全局和局部屈曲的影响。结果是用以前的实验结果验证。矛盾的是，人们发现，包含残余应力可能导致在某些情况下，增加了负荷承载能力。这是主要归因于残余弯曲应力的材料的应力- 应变曲线上的影响力。人们发现，尽管割线模量被