结构在静动力荷载作用下的试验与数值模拟

第1章 铝管拟静态压缩试验与数值模拟 薄壁金属管制成的耗能结构在汽车工程、防护工程等领域得到了广泛的应用。根据材料和几何尺寸的不同，薄壁金属圆管在轴向压缩荷载作用下会出现以下几种不同模式的失效：轴对称压溃模式（圆环模式）、非轴对称压溃模式（钻石模式）、混合模式、欧拉模式以及其他模式。其中，长度较短且壁厚较大的薄壁圆管常出现轴对称压溃模式，而长度较长且壁厚较小的薄壁圆管常出现非轴对称压溃模式（余同希和卢国兴，2006）。本章进行铝管拟静态压缩试验与数值模拟，相关研究成果可为薄壁金属圆管制成的耗能结构在工程中的应用提供参考。 1.1 铝管拟静态压缩试验 1.1.1 试验概况 1. 试验设备 铝管拟静态压缩试验在WAW-1000kN万能试验机上进行，如图?1-1?所示。WAW-1000kN万能试验机采用油缸下置式主机，可用于金属材料或非金属材料的拉伸、压缩、弯曲和剪切试验，其*大量程可达到1000kN，具有测试精准、操作方便、稳定可靠等优点（许吉信，2010）。 图1-1 WAW-1000kN万能试验机 WAW-1000kN万能试验机主要由液压加载系统、传动控制系统、测量系统和计算机显示系统等组成。 1）液压加载系统 液压加载系统为试验机主机，主要由上横梁、立柱、丝杆、移动横梁、底座、同步带、油缸、活塞和油源控制柜等组成。WAW-1000kN万能试验机是六立柱结构（四立柱和两丝杆），上横梁、移动横梁、立柱、丝杆安装在底座上构成一个门式框架（图?1-2），滚珠丝杆固定在底座和上横梁之间。 油源控制柜是液压加载系统的主要动力来源，主要由电动机电源开关、电动机开按钮、电动机停按钮、送油阀、回油阀和油管构成，如图1-3所示。高压油泵封装在油源控制柜中，电动机开按钮、电动机停按钮和电动机电源开关安装在油源控制柜正面。送油阀可使油泵输出的油送到试验机油缸内，同时也可控制荷载加载的速度；回油阀可卸除荷载，并使试验机油缸内的油回到油泵内。 图1-2 试验机门式框架结构 图1-3 油源控制柜 油缸和活塞是试验机主机的重要组成部分，如图1-4所示。油缸和活塞之间的配合间隙和油膜可使活塞自由移动，当油泵打来的高压油进入油缸后，活塞连同上横梁和试验台上升，使荷载作用在试件上。WAW-1000kN万能试验机有上下两个试验空间，在试验机的上空间可进行拉伸试验，在试验机的下空间可进行压弯试验。上横梁和移动横梁设有内置式液压控制的楔形夹紧钳口，试验机配有V形和平面型夹头用于夹紧圆柱试样和平板试样进行拉伸试验；移动横梁底端配有压头，试验台底座上设有带球面副的压座，可直接进行压缩试验。 图1-4 油缸和活塞 2）传动控制系统 传动控制系统主要由控制器、手动控制盒、控制微机（显示器和主机）和控制软件组成，如图1-5所示。控制部分的主要功能是控制试验机的加载方式、加载速度、各种数据的采集和处理、横梁移动的方向等。 图1-5 传动控制系统 WAW-1000kN万能试验机的试验控制由手动控制盒和控制微机实现。手动控制盒通过数据连线实现万能试验机的远程控制，手动控制盒共有五个按钮，用来控制夹头状态和横梁升降：夹头状态按钮夹紧时为工作状态，松开时为停止状态，点按夹头状态按钮后再点按上夹头或下夹头按钮可控制夹头状态；横梁控制按钮有横梁升和横梁降两个按钮，可用来控制移动横梁的升降。 WAW-1000kN万能试验机的计算机控制通过控制器和控制软件实现，可以控制移动横梁的升降，实现试验过程的开环和闭环控制，以及试验数据和曲线的实时记录和保存。控制软件的操作界面可大致分为力和变形显示板、位移显示板、曲线板、数据板及控制板等部分，如图1-6所示。 3）测量系统 测量系统主要由力传感器、拉线式光电编码器、放大器、模拟/数字（A/D）转换器和接口电路组成。加载过程中，装在工作台和活塞之间的力传感器可以把机器负荷的荷载变化信号转化为电信号，电信号经放大器放大后通过A/D转换器输入计算机；横梁位移信号通过安装在底座与工作台之间的拉线式光电编码器获得，拉线式光电编码器将横梁位移转化为编码器的脉冲输出，脉冲信号经过整形后输入计算机。 图1-6 控制软件的操作界面 4）计算机显示系统 计算机显示系统主要由计算机主机和显示器组成。试验过程中的荷载、位移和变形信号经A/D转换器处理后可在试验软件绘图板块中实时动态显示，试验结束后可在结果输出板块选择需要输出的数据和曲线。 2. 试件和试验参数 铝管拟静态压缩试验和数值模拟设置如下：压板的尺寸为100mm×100mm×20mm；铝管的外径和内径分别为80mm和78mm，长度为100mm，材质为6063-T5型铝合金，屈服强度为176.45MPa，极限强度为232.48MPa，泊松比为0.3；压板水平放置，铝管铅垂放置于压板的中心位置，另一端固定，如图1-7所示。铝管拟静态压缩试验在WAW-1000kN万能试验机上进行，压缩速率为20mm/min，试验数据由试验机配套的软件处理和记录。 图1-7 铝管压缩模型示意图 3. 试验步骤 1）启动试验机 （1）确认试验机主机、计算机系统等电缆连接正确。 （2）旋转油源控制柜电源开关，打开控制器开关，启动试验机。 （3）打开计算机显示器和主机开关，双击“MaxTest”图标，启动试验机控制程序，如图1-8所示。 图1-8 启动试验机控制程序 2）试验方案选择和试验参数录入 （1）单击菜单栏中数据板右侧的倒三角图标，在弹出的试验方案菜单中单击“金属材料压缩试验（GB7314-87*）”试验方案，如图1-9所示。 图1-9 试验方案选择 （2）在“控制板”区域点选“位移”选项，在“位移mm/min”选择区中单击选中20，“速度”即自动更新为20.0mm/min，如图1-10所示。 图1-10 加载方案设置 3）夹装试件 将铝管试件安放在压座中央，然后通过手动控制器将移动横梁移动至合适的位置，直至“力和变形显示板”中刚好有荷载出现，如图1-11所示。 图1-11 “力和变形显示板”刚好出现荷载