【不锈钢薄板纵向受压的有限元模拟及受力性能】 薄板 有限元 解析解

　　作者简介：朱浩川(1986)，男，博士生，主要从事钢结构及结构稳定研究，（Email）zhuhaochuan@hotmail.com。　　姚谏(通信作者)，男，教授，博士生导师，主要从事钢结构稳定、FRP研究，(Email)yaojian58@gmail.com。摘要：板件受压性能是构件力学性能研究的基础，不锈钢板件的受力性能与普通碳素钢存在较大不同。论文对不锈钢薄板纵向受压性能进行研究。根据既有试验结果建立不锈钢薄板纵向受压的有限元分析模型，通过数值分析得到其稳定曲线，提出不锈钢薄板受压极限承载力和箱型截面构件局部屈曲承载力的建议计算公式。研究表明，材料本构采用Quach方程所得数值模拟结果具有较高精度。
　　关键词：冷弯薄壁不锈钢；板件受压；有限元分析；稳定曲线；局部屈曲承载力
　　中图分类号：TU973.13文献标志码：A文章编号：16744764（2012）03008405
　　Finite Element Modeling of Stainless Steel Plates
　　in Compression and Structural Behavior
　　ZHU Haochuan1, YAO Jian 2,1
　　(1. Institute of Structural Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, P.R.China;
　　2. College of Urban Construction, Zhejiang Shuren University, Hangzhou 310015, P.R.China)
　　Abstract:The behavior of plate in compression plays a basic role in relevant research. There are significant differences between stainless steel and carbon steel plates in structural behavior. Analysis on the behavior of stainless steel plate in compression was presented. The development of FE models for analyzing stainless steel plates in compression was described based on the results of Rasmussens test. And the strength curve was achieved by such advanced FE models with a high degree of accuracy. The explicit strength equations and design method were proposed for determining the local buckling strength of stainless plate and coldformed rectangular hollow section in compression. It is shown that the numerical simulation results achieved by using Quach model are accurate.
　　Key words:coldformed stainless steel; plate in compression; FE model; strength curve; local buckling strength
　　不锈钢材料具有良好的抗腐蚀性能，易于维护，造型精美，是一种外观及使用性能优异的建筑材料，广泛应用于建筑装饰和结构承重等领域，如建筑墙面、屋面板、空间桁架等。不锈钢材料的本构关系非线性、比例极限低、应力应变曲线无屈服平台、各向异性、拉压性能差异明显、应变硬化性能显著。这些力学性能特点与普通碳素钢存在较大不同，对构件受力性能产生显著影响。中国现行设计规范《钢结构设计规范》［1］、《冷弯薄壁型钢结构技术规范》［2］主要是针对普通碳素结构钢和低合金高强度结构钢的，其设计方法与公式并不适用于不锈钢材料。目前中国对不锈钢力学性能方面的研究相对较少，可供分析的试验数据不充分，更无针对不锈钢的设计标准/规范，致使工程实践缺乏相应的理论支持与技术指导，极大地限制了不锈钢材料在建筑结构中的应用与发展。
　　由于试验研究的复杂性和不确定性，研究人员越来越多地依靠有限元软件来模拟实际构件的受力情况，以数值模拟结果作为力学分析的依据。但若未对模型细节进行足够考虑，数值模拟结果与实际试验结果将有很大偏差而失去研究价值。因此如何调整模型参数使其更符合实际受力情况进而得到精确结果，是研究过程中非常重要的步骤［3］。
　　本文对简支不锈钢薄板纵向受压情况进行数值模拟，将模拟结果与Rasmussen等［4］所得试验数据进行对比，通过参数调整得到高精度有限元分析模型；并对板件力学性能进行数值分析，提出不锈钢薄板受压极限承载力和箱型截面构件局部屈曲承载力的建议计算公式。〖=D(〗朱浩川，等：不锈钢薄板纵向受压的有限元模拟及受力性能〖=〗1数值模拟
　　Rasmussen在悉尼大学完成了2组简支不锈钢薄板纵向受压试验。试验选用双相2205不锈钢薄板，试件尺寸为126.0 mm×750 mm×3.02 mm和250.7 mm×750 mm×3.02 mm，分别命名为SS125和SS250。试验测得了不锈钢薄板纵向受压的荷载位移曲线与极限承载力。
　　本文采用大型有限元分析软件ABAQUS 6.10对不锈钢薄板纵向受压进行数值模拟。首先，将数值模拟结果与上述Rasmussen 2 组试验结果进行对比，通过选取合适的边界条件、初始缺陷、本构模型等参数建立与试验结果误差较小的有限元分析模型，并研究不同本构关系对数值模拟结果的影响。然后，对板件力学性能进行数值分析，改变薄板宽度、厚度等几何参数及不锈钢材料特性，得到不同宽厚比下不同牌号的不锈钢薄板受压极限承载力，并建立不锈钢薄板纵向受压承载力曲线。