مدل های تنش واقعی-کرنش واقعی برای قطعات سازه ای فولادی
یک آزمون کششی تک محوره استاندارد، که رابطه مهندسی تنش-کرنش را برقرار می سازد، در کل، خواص بنیادی مکانیکی فولاد مورد نیاز توسط یک طراح سازه را فرآهم می کند. تکنیک های تحلیل پیشرفته عددی که برای تحلیل مسائل کرنش شدید همچون تحلیل شکست سازه ها و قطعات فولادی، شکل دهی فلز، برش فلز، و غیره مورد استفاده قرار می گیرند، به اعمال و کاربرد خصوصیات مواد تنش واقعی-کرنش واقعی نیاز خواهند داشت. این مقاله یک مدل پنج مرحله ای تنش واقعی-کرنش واقعی را برای فولاد درجه A992 و 350W، که می توانند رفتار فولاد سازه ای ، شامل رفتار پسا-نهایی فولاد تا زمان شکست، را داشته باشند تعیین می کند. مدل پیشنهاد شده از منحنی توانی در گستره سخت شدگی کرنشی و منحنی توانی وزن دار در گستره پسانهایی استفاده می کند. پارامترهای مدل تنش واقعی-کرنش واقعی از طریق متناسب سازی نتایج تحلیل عددی با نتایج متناظر آزمایشی آزمون کششی تک محوره استاندار بدست آمدند. سپس رابطه ساختاری ماده که اینگونه استنتاج شده است جهت پیش بینی رفتار بار-تغییرشکل قطعات با یک سوراخ در وسط ناحیه ای که در معرض بارگذاری مستقیم کششی قرار داشت اعمال شد. رفتار پیش بینی شده بار-تغییرشکل قطعات سوراخ دار بخوبی با نتایج متناظر این آزمون مطابقت داشت و خصوصیات پیشنهادشده رابطه تنش واقعی-کرنش واقعی را برای فولاد سازه ای معتبر می سازد.
1. معرفی
تحلیل عددی برمبنای روش المان محدود و تکنیک های دیگر تحلیل عددی بصورت گسترده در تحقیقات درگیر با فولاد سازه ای و در تحلیل و طراحی سازه ها و قطعات فولادی مورد استفاده قرار می گیرند. در تحقیقات، تکنیک های مدلسازی عددی اغلب برای تعمیم موثر نتایج آزمایشی محدود و برای بررسی تاثیر پارامترهای مناسب مرتبط با یک مسئله مورد استفاده قرار می گیرند. با این حال، چنین مدلهای شبیه سازی برای فولاد سازه ای، نیاز به استفاده از روابط واقعی تنش-کرنش ماده دارند، که اغلب تا شکست گسترش می یابند. رفتار مکانیکی مواد فلزی، همچون رفتار فولاد، عموما با استفاده از آزمون کشش تک محوره برقرار می شود. این پروتکل آزمون تنش [1]، که ابتدا فقط برای استفاده در مقایسه کردن فولادهای مختلف ایجاد شده بود، تنش مهندسی و کرنش مهندسی را معین می سازد. شکل 1 رابطه مهندسی تنش-کرنش معمول را برای فولاد (خط ممتد) نمایش می دهد، که تنش از تقسیم بار بر مساحت اصلی سطح مقطع قطعه کششی محاسبه شده است، و کرنش مهندسی با تغییر در طول تقسیم بر طول اصلی سنجشگر محاسبه شد. چنین محاسباتی، که تغییرات مساحت طی افزایش دادن بارها را بحساب نمی آورند، برای راحتی اندازه گیری های ابعاد مورد استفاده قرار می گیرند و همیشه گستره الاستیک (ناحیه-I)، گستره سخت شدگی کرنشی (ناحیه-IV)، و گستره نرم شدگی کرنشی (ناحیه-V) را نشان می دهند.
5. نتایج
ساخت سازه های فولادی اغلب نیاز به ایجاد سوراخ هایی در بال های تیرهای فولادی دارد [14]. اگر کسی مجبور باشد برای انجام چنین تحقیقات یا تحقیقات مشابه دیگر روی سازه ها و قطعات فولادی، مدل های المان محدود بسازد آنگاه چنین مدل های FE نیاز به روابط حقیقی تنش-کرنش ماده دارند، که می توانند شکست فولاد را نیز بدست آورند. آزمون های کششی تک محوره مرسوم، نتایج تنش مهندسی-کرنش مهندسی را فرآهم می کنند که بویژه در گستره سخت شدگی کرنشی و در گستره مقاومت پسانهایی دقیق نیستند. این تحقیق روابط تنش حقیقی-کرنش حقیقی را برای فولادهای سازه ای در کل، و برای فولادهای A992 و 350W بصورت ویژه ایجاد کرد. این مقاله مدل های ساختاری تنش حقیقی-کرنش حقیقی پنج مرحله ای را برای فولادهای سازه ای، برمبنای شبیه سازی های عددی که در برابر نتایج آزمون کششی تک محوره تجربی کالیبره شده بودند، برقرار کرد. مدل پیشنهاد شده از منحنی توانی در گستره سخت شدگی کرنشی و منحنی توانی وزنی در گستره پسانهایی استفاده می کند. پارامترهای مدل تنش حقیقی-کرنش حقیقی از طریق ترکیب تکنیک های مدلسازی عددی و تجربی بدست آمدند. تنش ها و کرنش ها در لحظه شکست وقتی با نتایج متناظر از آزمون مقایسه شدند، برای قطعات استاندارد برمبنای تحلیل عددی کمتر از 5 % تفاوت داشتند. رابطه ساختاری پیشنهاد شده ماده از طریق مقایسه رفتار بار-تغییرشکل تحلیل المان محدود، با نتایج تجربی متناظر برای قطعات کششی سوراخ دار، تایید شد.
A standard uniaxial tensile test, which establishes the engineering stress-strain relationship, in general, provides the basic mechanical properties of steel required by a structural designer. Modern numerical analysis techniques used for analysis of large strain problems such as failure analysis of steel structures and elements metal forming, metal cutting, and so forth, will require implementation and use of true stress-true strain material characterization. This paper establishes a five stage true stress-strain model for A992 and 350W steel grades, which can capture the behavior of structural steel, including the postultimate behavior of steel, until fracture. The proposed model uses a power law in strain hardening range and a weighted power law in the postultimate range. The true stress-true strain model parameters were established through matching of numerical analysis results with the corresponding standard uniaxial tensile test experimental results. The material constitutive relationship so derived was then applied to predict the load-deformation behavior of coupons with a hole in the middle region subjected to direct tension loading. The predicted load-deformation behavior of perforated tension coupons agreed well with the corresponding test results validating the proposed characterization of the true stress-true strain relationship for structural steel.
1. Introduction
The finite-element- (FE-) method-based numerical analysis and other numerical analysis techniques are widely used in research involving structural steel and in the analysis and design of steel structures and elements. In research, numerical modeling techniques are often used to effectively expand the limited experimental results and used to investigate the influence of relevant parameters associated with a problem. Such simulations models for structural steel, however, require the use of realistic material stress-strain relationships, often extending up to fracture. Mechanical behavior of metallic type material, such as that of steel, is generally established by means of uniaxial tension test. Such tension test protocol [1], which was primarily created only for use in comparison of different steels, establishes the engineering stress and the engineering strain. Figure 1 shows a typical engineering stress-strain relationship for steel (solid line), where the stress was calculated as load divided by the original cross-section area of the tension coupon, and the engineering strain was calculated as change in length divided by the original gauge length. Such calculations, which do not recognize the area changes during increasing loads, are used for convenient of measurements of dimensions and will always show an elastic range (Region-I), strain hardening range (Region-IV), and a strain softening range (RegionV).
5. Conclusions
Steel structures construction often necessitates fabrication of holes in the flanges of steel beams [14]. If one has to build finite element models for such studies or other similar studies on steel structures and elements, then such FE models require realistic material stress-strain relationships, which can capture the fracture of steel as well. Traditional uniaxial tension tests provide engineering stress-engineering strain results which are not accurate particularly in the strain hardening range and in the postultimate strength range. This investigation developed true stress-true strain relationships for structural steels in general, and for A992 and 350W steel grades in particular. This paper established five-stage true stress-true strain constitutive models for structural steels, based on numerical simulations calibrated against experimental uniaxial tension test results. The proposed model uses a power law in strain hardening range and a weighted powerlaw in the postultimate range. The true stress-true strain model parameters were established through a combination of experimental and numerical modeling techniques. The stresses and strains at fracture for the standard coupons based on numerical analysis differed by less than 5% when compared to the corresponding results from the experiment. The proposed material constitutive relation was further verified through comparison of finite element analysis loaddeformation behavior with the corresponding experimental results for perforated tension coupons.
1. معرفی
2. ایجاد مدل تنش واقعی-کرنش واقعی
3. پارامترهای مدل تنش واقعی-کرنش واقعی
4. درستی سنجی مدل پیشنهاد شده تنش حقیقی-کرنش حقیقی
5. نتایج
1. Introduction
2. Development of a True Stress-True Strain Model
3. True Stress-True Strain Model Parameters
4. Verification of the Proposed True Stress-True Strain Model
5. Conclusions
- اصل مقاله انگلیسی با فرمت ورد (word) با قابلیت ویرایش
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت ورد (word) با قابلیت ویرایش، بدون آرم سایت ای ترجمه
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت pdf، بدون آرم سایت ای ترجمه