受碰撞钢构件考虑接触变形时的有限元模型及构件弹塑性动力屈曲机理研究

正确评估碰撞引起的钢结构构件屈曲机理，需要合理的分析模型来准确确定撞击过程中撞击物对目标体的作用。由于碰撞引起的冲击荷载作用时间短、量级大、应力波传播复杂、分析的非线性程度高、影响因素多，至今对钢结构基本构件受到撞击时考虑接触变形的分析模型还有很多不完善之处。本项目在深入分析前人研究中存在的问题和在前人研究的基础上，结合薄壁钢构件稳定问题的特点，利用非线性有限元分析手段，用多种单元建立钢构件（杆和梁）和撞击物精确模型，可以同时考虑撞击物和构件的接触变形及其中的应力波传播。对照精确梁模型，通过添加接触单元得到简化的考虑接触变形的梁单元梁模型。提出和使用数值解中杆（柱）发生整体动力屈曲和板件局部屈曲的判据及求解方法，对受轴心正碰和偏心碰撞杆（柱）的屈曲机理进行了研究。提出和使用梁发生整体弯扭失稳和板件局部失稳的数值判据和求解方法对受横向碰撞梁的屈曲机理进行了研究，并通过相关实验进行验证。

钢结构基本构件受到撞击时考虑接触变形的分析模型缺乏系统研究，导致碰撞引起的钢结构构件动态屈曲机理很不完善。本项目在深入分析前人研究的基础上，首先对受到刚体轴向冲击时弹性杆的动力屈曲问题进行了研究。使用有限元方法对刚体轴向撞击弹性杆的全过程进行了计算，对弹性杆二次碰撞进行了深入分析并得到了其普遍规律。考虑了应力波对动力屈曲的影响，并提出了位移和能量两种动态屈曲判据，研究了支座、刚体冲击速度、杆长以及质量比对动力屈曲的影响。. 在弹性杆基础上研究了轴向冲击荷载作用下弹塑性杆的动力屈曲性能。通过梁单元、壳单元、实体单元杆模型的验证，采取相对收敛速度快的梁单元杆模型进行研究，与轴向冲击弹性杆的动力响应进行了系统的对比分析。得到了线性强化和考虑率相关特性两种材料本构下的弹塑性杆中应力波传播的过程，分析了冲击速度、质量比、杆长度、线性强化比、率相关系数等因素对弹塑性杆的动力屈曲的影响规律。. 随后研究了受轴向冲击工字形截面杆弹塑性动力屈曲性能，模拟了考虑弹塑性应力波的影响的情况下刚体轴向撞击工字形截面弹塑性杆的过程，分析了杆的动力响应。并系统研究了冲击速度、杆长、质量比、轴力大小、偏心、无限边界等因素对杆的动力屈曲的影响，得到了该截面工字形弹塑性杆的临界冲击速度。考虑杆长度、冲击速度等变量，对该截面工字形杆进行了一系列落锤撞击实验，将实验结果与数值模拟结果进行系统的对比研究，较完善的诠释了工字形杆的动力屈曲机理。. 梁的冲击问题中，首先研究了矩形钢管受横向碰撞的动力屈曲。通过梁单元、壳单元、实体单元的模型验证得到了恰当的有限元模型，并对照精确梁模型，通过添加接触单元得到简化的考虑接触变形的梁单元梁模型。重点分析了刚体横向撞击线性强化弹塑性壳单元矩形钢梁模型的屈曲过程，提出了动力屈曲数值判据。考虑梁长度、冲击速度等因素对矩形钢管梁进行了落锤撞击实验，对比分析了数值模拟与实验所得矩形钢管梁的屈曲时间、屈曲形状、应力等结果，两者结果能够较好的吻合，进一步揭示了矩形钢管梁受冲击时的屈曲过程及特点。. 最后研究了受冲击工形截面梁弹塑性动力屈曲性能，模拟了刚体横向冲击工形截面梁的过程。进行了一系列工形截面梁试件的横向冲击试验，通过理论与试验的对比研究，得出了工形梁的屈曲过程及特点。给出了工字形钢梁在不同质量刚体冲击作用下发生动力屈曲的临界冲击速度。