冲击荷载下C型G550冷弯钢的断裂机理研究
PDF下载 (211)张子凌,岑志波,蒋 磊,李佰树,汪家炜,张 浩,朱 珏.冲击荷载下C型G550冷弯钢的断裂机理研究[J].宁波大学学报(理工版),2022,35(1):90-97.DOI:
ZHANG Ziling,CEN Zhibo,JIANG Lei,LI Baishu,WANG Jiawei,ZHANG Hao,ZHU Jue.Fracture mechanism of G550 channel cold-formed steel under impact load[J].Journal of Ningbo University(Natural Science & Engineering Edition),2022,35(1):90-97.DOI:
| Title: | Fracture mechanism of G550 channel cold-formed steel under impact load |
| 作者: | 张子凌, 岑志波, 蒋 磊, 李佰树, 汪家炜, 张 浩, 朱 珏 |
| Author(s): | ZHANG Ziling, CEN Zhibo, JIANG Lei, LI Baishu, WANG Jiawei, ZHANG Hao, ZHU Jue |
| 关键词: | 冷弯钢; Johnson-Cook模型; 有限元模拟; 撕裂; 塑性变形 |
| Keywords: | cold-formed steel; Johnson-Cook model; finite element simulation; tear; plastic deformation |
| 分类号: | O347 |
| 文献标识码: | A |
| 摘要: | 以C型G550薄壁冷弯钢构件为研究对象, 通过材料在不同应变率下的拉伸实验和数值模拟数据得到Johnson-Cook (J-C)本构模型和Johnson-Cook失效模型参数. 通过Abaqus软件模拟了不同冲击荷载作用下C型冷弯钢构件撕裂破坏的全过程, 利用落锤装置轴向冲击试验进行对比, 其实验结果与有限元数值模拟结果有良好的一致性. 此外, 对冲击试样撕裂断口进行微观形貌分析, 得到构件的断裂机理. 结果表明: 随着冲击速度的提高, 冲击力对构件的加载时间增加, 构件需要较大的塑性变形来吸收冲击能量; 冲击速度越高, 裂纹扩展功所占吸收冲击能量的比例越大, 显示出高速下裂纹扩展的能力越好; 冲击速度较高时, 以脆性断裂为主, 断口出现解理面, 甚至在高速变形时发生了绝热剪切破坏. |
| Abstract: | Using G550 channel cold-formed steel members, the Johnson-Cook constitutive model parameters and the Johnson-Cook failure model parameters are determined through the material tensile experiments and numerical simulations under different strain rates. The whole process of tearing failure of channel cold-formed steel members under different impact loads is simulated by ABAQUS software. The axial impact test of the drop hammer device is used for comparison, and the experimental results are in good agreement with the finite element numerical simulation results. In addition, the fracture mechanism of a piece of sample at the tear fracture region is analyzed by microscopic morphology. The results show that with the increase of the impact speed, the loading time of the impact force on the component increases, and the component requires greater plastic deformation to absorb the impact energy. The higher the impact speed, the greater the proportion of the crack growth work to the impact energy, which shows that the ability to prevent crack propagation at high speed is better. When the impact speed is high, brittle fracture is the main cause, during which cleavage surface appears in the fracture surface, and even adiabatic shear failure occurs during deformation. |
| 参考文献 /References: | [1] 张旭, 孙国军, 黄栩浩, 等. 轴向冲击下C型冷弯卷边槽钢构件的动力响应[J]. 爆炸与冲击, 2018, 38(4):841-846. [2] 陈高哲, 霍静思, 崔鹏飞. 预加轴力下加强冷弯T型方钢管节点抗冲击试验研究[J]. 船舶力学, 2017(S1):543-553. [3] Kleiber M, Kotula W, Saran M. Numerical analysis of dynamic quasi-bifurcation[J]. Engineering Computations, 1987, 4(1):48-52. [4] Kubiak T. Criteria of dynamic buckling estimation of thin-walled structures[J]. Thin-Walled Structures, 2007, 45(10/11):888-892. [5] Wang A W, Tian W Y. Mechanism of buckling development in elastic bars subjected to axial impact[J]. International Journal of Impact Engineering, 2007, 34(2): 232-252. [6] 魏勇, 朱兆祥, 李永池. 轴向冲击载荷作用下直杆弹性动态屈曲的研究[J]. 实验力学, 1988, 3(3):55-61. [7] 杨常青. 结构钢动态断裂机理[J]. 太原师范学院学报(自然科学版), 2007, 6(3):135-137. [8] 廖芳芳, 李文超, 周天华. Q460D高强钢断裂性能试验研究及断裂准则的校准[J]. 西安建筑科技大学学报(自然科学版), 2016, 48(3):362-370. [9] 李发超, 张旭, 赵伟欣, 等. 某C型冷弯薄壁钢构件冲击后的极限承载力研究[J]. 工业建筑, 2019, 49(5):133-138. [10] 李佰树, 李发超, 吴梦景, 等. Z型Q345冷弯钢构件率相关本构模型下的动态冲击失稳研究[J]. 宁波大学学报(理工版), 2020, 33(6):45-52. [11] GB/T228-2002. 金属材料室温拉伸试验方法[S]. [12] 周天华, 周绪红, 何保康, 等. G550级高强薄板钢材的材性及应用[J]. 建筑科学与工程学报, 2005, 22(2):43-46. [13] 黄西成, 胡文军. Johnson-Cook本构参数的确定方法[C]//第六届全国爆炸力学实验技术学术会议论文集. 长沙, 2010:313-320. [14] 林莉, 支旭东, 范锋, 等. Q235B钢Johnson-Cook模型参数的确定[J]. 振动与冲击, 2014, 33(9):153-158; 172. [15] 谢凡, 张涛, 陈继恩, 等. 应力三轴度的有限元计算修正[J]. 爆炸与冲击, 2012, 32(1):8-14. [16] 贾东, 黄西成, 莫军. 基于应变路径和分布效应的应力三轴度确定方法[J]. 科学技术与工程, 2013, 13(10):2625-2629; 2634. [17] 肖刚. 结构在约束下和动力作用下屈曲的数值模拟[D]. 上海: 上海交通大学, 2008. [18] Wang A W, Tian W Y. Characteristic-value analysis for plastic dynamic buckling of columns under elastoplastic compression waves[J]. International Journal of Non-Linear Mechanics, 2003, 38(5):615-628. [19] 王礼立. 应力波基础[M]. 2版. 北京: 国防工业出版社, 2005. [20] 尹士科, 喻萍, 王移山. 焊接接头的抗动载断裂特性[J]. 机械制造文摘(焊接分册), 2014(6):1-6. [21] Lau S C W, Hancock G J. Distortional buckling formulas for channel columns[J]. Journal of Structural Engineering, 1987, 113(5):1063-1078. [22] 上海交通大学《金属断口分析》编写组. 金属断口分析[M]. 北京: 国防工业出版社, 1979. [23] 寇绍全. 绝热剪切—–一个值得重视的材料破坏问题[J]. 力学进展, 1979, 9(3):52-59. |
| 备注/Memo: | 收稿日期: 2021－03－25. 宁波大学学报（理工版）网址: http://journallg.nbu.edu.cn/ 基金项目: 国家自然科学基金（11972203, 11572162）; 浙江省自然科学基金（LY13A020007）; 宁波市自然科学基金（202003N4152）; 宁波轨道交通项目（JS-00-SG-17003）. 第一作者: 张子凌（1994－）, 男, 江苏淮安人, 在读硕士研究生, 主要研究方向: 冷弯钢冲击. E-mail: zzl969457093@163.com *通信作者: 朱珏（1979－）, 女, 浙江金华人, 博士/教授, 主要研究方向: 冷弯钢结构. E-mail: zhujue@nbu.edu.cn 宁波大学学报（理工版）网址：http://journallg.nbu.edu.cn/ |
