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冲击荷载作用下热轧T型方钢管节点力学性能研究

作　者: 陈凡
导　师: 霍静思
学　校: 湖南大学
专　业: 结构工程
关键词: T型管节点冲击荷载局部屈曲塑性铰破坏模态耗能有限元
分类号: TU391
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

近年来，钢质导管架平台结构在海洋油气开发中得到了广泛的应用。船舶与海上工程物的碰撞事故时有发生，有必要对船舶与海洋平台的碰撞机理进行研究，减少事故损失。目前，对钢管节点的研究主要集中在静力承载力等方面的研究，而结构抗冲击性能研究，也仅是在“9.11”事件之后才引起研究领域的广泛关注。但限于试验条件，目前很少研究者在进行此类试验研究。为此，本文运用湖南大学高性能落锤试验机进行了热轧T型方钢管节点抗冲击力学性能试验研究，同时运用大型通用非线性有限元分析软件ABAQUS对热轧T型方钢管节点动态力学性能进行数值分析。论文主要开展了以下几个方面的研究工作：(1)进行了未加强热轧T型方钢管节点抗冲击性能试验研究，重点研究不同支主管宽度比、主管宽厚比、落锤冲击能量等试验参数对节点试件抗冲击力、塑性铰变形及节点区域内力发展等力学性能指标的影响。通过试验得到未加强管节点在冲击荷载作用下的屈曲模态、冲击力和位移时程曲线以及荷载-位移关系曲线，揭示节点在冲击荷载作用下的主管抗局部屈曲受力机理和变形耗能机制。(2)进行了加强热轧T型方钢管节点抗冲击性能试验研究，重点研究节点区域主管内部加劲肋加强、主管上翼缘板垫板加强、支管肋板加强等三种加强方式对节点试件冲击力、塑性铰变形及节点区域内力发展等力学性能指标的影响，并与之前未加强节点进行对比分析。通过试验得到加强管节点在冲击荷载作用下的屈曲模态、冲击力和位移时程曲线以及荷载-位移关系曲线，揭示加强后节点在冲击荷载作用下的主管抗局部屈曲受力机理和变形耗能机制。(3)采用有限元分析软件ABAQUS/Explicit建立了热轧T型方钢管节点动态抗冲击分析模型，并针对落锤冲击试验所得动力响应、屈曲模态、内力变化及塑性铰变形发展规律进行了数值模拟，数值分析结果与冲击试验结果吻合较好；对冲击能量Ek、支主管宽度比β、主管宽厚比2γ等进行参数分析，得到其对未加强管节点破坏模态、承载力、变形等的影响规律；验证了主管内部横向加劲肋加强（对齐支管边布置）、主管上翼缘板垫板或环口板加强是很好的加强方式。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
插图索引  11-14
附表索引  14-15
第1章绪论  15-26
  1.1 管结构的简介及特点  15
  1.2 课题研究的背景与意义  15-16
  1.3 国内外相关课题研究现状  16-24
    1.3.1 钢材动态力学性能的研究  16-17
    1.3.2 相贯节点静力承载力的研究  17-21
    1.3.3 国内外相贯节点的冲击性能研究  21-23
    1.3.4 钢管节点加强的应用与研究进展  23-24
  1.4 本文主要研究内容、方法及研究成果  24-26
    1.4.1 研究内容和方法  24-25
    1.4.2 研究成果  25-26
第2章 T 型方钢管节点抗冲击试验  26-55
  2.1 引言  26
  2.2 试验方案  26-28
    2.2.1 试验设计  26-27
    2.2.2 试件制作与加工  27-28
    2.2.3 试验材性  28
    2.2.4 量测内容  28
  2.3 落锤试验机  28-29
  2.4 试验装置  29-31
  2.5 试验方法  31-33
    2.5.1 试件的安装  31
    2.5.2 试验测点布置  31-32
    2.5.3 试验操作过程  32
    2.5.4 试验测试仪器设备  32-33
  2.6 试件屈曲模态与分析  33-43
    2.6.1 屈曲模态影响分析  33-38
    2.6.2 试件残余变形与分析  38-43
  2.7 试验结果与分析  43-51
    2.7.1 冲击力时程曲线  44-46
    2.7.2 支主管位移时程曲线  46-49
    2.7.3 应变时程曲线  49-51
  2.8 抗冲击性能分析  51-54
    2.8.1 荷载位移曲线  51-53
    2.8.2 能量耗散  53-54
  2.9 本章小节  54-55
第3章加强 T 型方钢管节点抗冲击试验  55-73
  3.1 引言  55
  3.2 试验方案  55-58
    3.2.1 试验设计  55-56
    3.2.2 加强试件参数确定  56-58
  3.3 试验测试内容  58
  3.4 屈曲模态影响分析  58-64
    3.4.1 主管内部横向加劲肋加强的影响  58
    3.4.2 主管上翼缘板垫板加强的影响  58-59
    3.4.3 支管肋板横向加强的影响  59-60
    3.4.4 试件的屈曲模态影响分析  60-61
    3.4.5 基于塑性铰理论的屈曲模态简化分析方法  61-63
    3.4.6 试件残余变形  63-64
  3.5 试验结果  64-70
    3.5.1 冲击力时程曲线  64-66
    3.5.2 支主管竖向位移时程曲线  66-67
    3.5.3 应变时程曲线  67-70
  3.6 抗冲击性能分析  70-72
    3.6.1 冲击荷载-位移曲线  70-71
    3.6.2 能量耗散  71-72
  3.7 本章小节  72-73
第4章 T 型方钢管节点抗冲击试验有限元模拟与机理分析  73-106
  4.1 引言  73
  4.2 材料的本构模型  73-74
    4.2.1 钢材的本构模型  73
    4.2.2 锤头的本构模型  73-74
  4.3 建立模型  74-75
  4.4 有限元模拟结果与分析  75-87
    4.4.1 未加强节点试件的屈曲模态分析  75-77
    4.4.2 加强节点试件的屈曲模态分析  77-79
    4.4.3 塑性铰区域残余变形分析  79-82
    4.4.4 冲击力、位移时程曲线  82-85
    4.4.5 锤头和支管顶部速度时程曲线  85-87
  4.5 抗冲击性能分析  87-90
    4.5.1 冲击力-位移曲线  87-88
    4.5.2 能量耗散  88-90
  4.6 节点受力性能工作机理分析  90-95
    4.6.1 节点应变率分析  90-92
    4.6.2 节点变形发展机理分析  92-95
  4.7 节点受力性能影响参数分析  95-104
    4.7.1 影响参素取值  95
    4.7.2 影响参数分析  95-101
    4.7.3 加强方式分析  101-104
  4.8 本章小结  104-106
总结与展望  106-109
参考文献  109-115
致谢  115

冲击荷载作用下热轧T型方钢管节点力学性能研究

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