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材料参数的重要性(弹塑性材料)—合金钢模板分析

材料参数的重要性(弹塑性材料)—合金钢模板分析
一、前言

在钢结构有限元仿真分析工程实践中,材料模型的选取是决定仿真结果准确性、合理性的核心关键因素,直接影响结构受力评估、变形预判与优化设计的全过程。常规弹性材料模型基于线弹性力学理论,假定材料受力全过程遵循应力应变成正比关系,无塑性变形、应力重分布特性,是结构初步分析中最常用的基础模型。但在实际工程受力状态下,钢结构局部应力集中区域极易出现应力超出材料屈服强度的情况,此时线弹性理论不再适用,若继续单一采用弹性材料模型开展计算,往往会得出结构应力远超屈服强度、甚至超出断裂强度的失真结果。

多数工程人员面对此类异常计算结果时,易产生结构承载力不足的误判,进而盲目开展结构加厚、增设肋板、提升材质等加强优化设计,造成结构过度设计、资源浪费,违背结构轻量化、经济化的设计原则。

事实上,钢材作为典型的塑性材料,在应力达到屈服强度后会产生塑性流动,结构内部应力会发生重新分布,局部高应力区域的应力不再持续激增,而是趋于平稳,结构仍具备正常承载能力。

有时候选择正确的材料参数可能就能很好的避免这个问题;下面就用一个案例,以同样的网格、边界条件、载荷,以弹性材料模型和弹塑性材料模型分别对比一下两种材料模型的应力、应变和变形结果;
二、案例
对一块400P1000的拉片式加固的钢模板进行分析,侧压力采用4.5m层高浇筑时所产生的侧压力;
(1)材料
Q235
弹性模量:2E5MPa
屈服强度:235MPa
泊松比:0.3
密度:7850kg/m3
弹性材料模型只需要输入上述材料参数即可,而弹塑性模型需要额外输入应力应变曲线,具体值如下图所示:
(2)载荷
模板表面施加7.211E-2MPa的压力:
(3)边界条件
拉片安装孔约束Y方向的位移:
模板接触的边框约束X方向的位移:
(4)网格划分
三、计算结果
(1)弹性材料模型
①等效应力
最大值421.13MPa,超过了Q235的断裂强度了;
②塑性应变
弹性材料模型无法捕捉塑性应变
③变形
最大值为1.4689mm
(2)弹塑性材料模型
①应力
最大值247.5MPa,虽然超过屈服强度,但是还没超过断裂强度,处于塑性工作的范围;
与弹性材料模型相差了70%;
②塑性应变
最大塑性应变为0.0018092mm/mm
③变形
最大变形值为1.4302,与弹性材料模型相差了2.71%;
四、小结

通过本次同工况、同网格、同边界条件下的弹性与弹塑性材料模型对比分析结果可以看出,材料模型的选取对钢结构有限元应力计算结果影响极大,对结构变形结果影响相对较小。纯弹性材料模型无法模拟钢材屈服后的塑性流动与应力重分布特性,会大幅放大结构局部应力数值,产生远超材料实际极限强度的虚假高应力结果,极易误导工程设计,造成不必要的结构加强与成本浪费。

而弹塑性材料模型能够精准还原Q235钢材的真实力学性能,可有效捕捉结构屈服后的塑性应变、应力重分布规律,计算得出的应力结果贴合结构实际受力状态,真实反映了钢材屈服后仍具备稳定承载能力的特性,可彻底规避弹性模型带来的应力失真、过度设计等问题,让结构仿真分析结果更贴合工程实际。

结合本次仿真实践得出关键实操要点:针对钢结构存在局部应力集中、受力易进入塑性阶段的仿真场景,必须优先采用弹塑性材料模型,并精准录入材料真实应力应变曲线;

最后,使用弹塑性材料模型时,分析设置记得开启大变形按钮: