冷成型钢欧姆柱屈曲行为及其失效模式识别方法

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近年来,为适应我国物流及电子商务的高速发展需求,轻质高强且安装快速的冷成型钢货架作为立体仓库的主要承重结构,正大规模应用在物流仓储领域中。冷成型钢货架中的立柱一般采用欧姆形开口截面,其经过多次弯折后成型,承载时的屈曲行为复杂,失效模式识别困难。既有研究表明,冷成型钢构件的承载力与其屈曲行为密切相关,本文深入研究冷成型钢欧姆柱的屈曲行为及其失效时的屈曲模式,为准确预测该类构件的承载力提供理论基础和技术支撑。本文首先运用了c FSM(约束有限条法)以及一维模态谱方法的基本思想,提出了更加高效的基于壳元非线性有限元模型的模态识别谱解方法(MID-1D Spectra);然后对轴压冷成型钢欧姆柱进行参数化分析,并利用模态识别谱解方法对其进行定量识别,采用相关性分析、回归分析等方法探究轴压冷成型钢欧姆柱的几何属性对其极限状态下的各类型屈曲模态(整体屈曲、畸变屈曲、局部屈曲、其他屈曲)参与度的影响;接着根据大量参数化分析的结果,采用因子分析方法将冷成型钢欧姆柱的众多几何属性进行降维,提炼出公因子,并利用多元线性回归分析方法建立了轴压冷成型钢欧姆柱失效模式为单一“纯”屈曲模态的长细比区间回归模型,最后利用多分类Logistic回归分析方法建立了轴压冷成型钢欧姆柱失效模式的快速预判模型(Fast Prediction Model,简称FPM)。通过上述研究,得到主要结论如下:(1)基于壳元非线性有限元模型的模态识别谱解方法(MID-1D Spectra),能精确对构件的屈曲模态进行定量识别,其结果与原模态识别方法(MID-3D Mode)一致。且在壳元模型相同的情况下,模态识别谱解方法的计算时长为原方法的28%左右,通过减少参与拟合的纯屈曲模态个数,在保证模态识别结果一致的情况下,其计算时长甚至可下降为原方法的1%左右,大大提高了模态识别计算效率。(2)长细比对轴压欧姆柱失效模式具有较大影响。长细比较小时,构件失效模式仅为局部屈曲;长细比中等时,构件失效模式仅为畸变屈曲;长细比较大时,构件失效模式仅为整体屈曲。在一定长细比区间内构件失效模式仅为单一屈曲模态,而在其他长细比区间中轴压欧姆柱失效模式则表现为各种相关屈曲模态。(3)截面几何属性对轴压欧姆柱失效模式也具有较大影响,且在不同的长细比下对构件各屈曲模态参与度影响不同。长细比较小时,构件失效模式主要受板件宽厚比,卷边宽厚比等影响较大,随着板件宽厚比,卷边宽厚比增大,轴压欧姆柱失效模式中局部屈曲参与度增大,畸变屈曲参与度减小;长细比较大时,构件失效模式主要受卷边与截面宽度的比、截面高宽比等的影响较大,随着卷边与截面宽度的比、截面高宽比的增大轴压欧姆柱失效模式中畸变屈曲参与度减小,整体屈曲参与度增加。(4)基于轴压欧姆柱截面几何属性在不同构件长细比下对其失效模式的影响,以截面几何属性为变量,发生单一屈曲模态的长细比区间上下限为因变量建立了轴压欧姆柱局部屈曲、畸变屈曲、整体屈曲的长细比区间回归模型。通过该模型可知局部屈曲长细比区间主要受厚度参数和板件尺寸参数影响较大,畸变屈曲长细比和整体屈曲长细比区间主要受卷边参数和板件尺寸参数影响较大。(5)基于轴压欧姆柱截面几何属性和长细比对其失效模式的影响,以轴压欧姆柱截面几何属性和长细比为变量,轴压欧姆柱失效模式类型为因变量建立了轴压欧姆柱失效模式预判的Logistic回归模型,简称轴压欧姆柱失效模式预判模型。该模型可以根据轴压欧姆柱的截面几何属性和长细比快速预测轴压欧姆柱七种失效模式(整体屈曲、畸变屈曲、局部屈曲、整体-局部相关屈曲、整体-畸变相关屈曲、局部-畸变相关屈曲、整体-局部-畸变相关屈曲)发生的概率。经过与试验结果对比验证,该预判方法对失效模式能够精准判断。
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