薄壁截面槽钢的应力分布及弯心特性研究

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1、薄壁截面槽钢的应力分布及弯心特性研究李春福张颖北京工业大学机电学院000114班指导教师张亦良摘要本文研究了是开口薄壁杆件槽钢在不同加载方式下的应力分布及其弯心位置，综合地应用电测法与计算机知识。其中，确定最大载荷利用ANSYS软件来完成，测试过程由电测法完成。槽钢在约束扭转的情况下，利用电测法，并借助有限元分析确定其弯心位置，再与理论结果进行比较。在发生平面弯曲的情况下，通过电测法测得其腹板和翼缘中的正应力变化规律。关键字：电测法;有限元分析;槽钢一、引言槽钢是工程中应用最广泛的型钢之一。在大型钢结构中，用途更加广泛

2、。铁科院世界第一的火车冲击试验桥梁中就以槽钢和角钢作为它的基本结构。见图1、图2。由于槽钢属于开口薄壁截面杆件，不适于承受扭转。当杆件受横力弯曲时，若加载点位置不在弯心处，则杆件除了承受弯曲外，还会带来扭转。就杆件横截面的应力状态而言，从强度观点出发，是极为不利的。对于圆截面的扭转应力问题，已经有较完整的理论解，经弹性力学证明是精确解。但是，对于矩型截面或开口薄壁截面杆的扭转问题，材料力学的知识告诉我们，目前还没有理论解，只能靠数值解。对于开口薄壁杆件受扭转这类问题的研究，是从Timoshenko教授在1905年对工字

3、形梁的约束扭转开始的，至今已近一百年。这个问题就更加复杂一些，在我们材料力学的学习中，还没有涉及到。本文主要是通过电测法测得槽钢在不同加载方式下的应力分布。共粘贴了14个应变片，其中有2个三向应变花。加载选择了几种不同方式，分别在两个主轴平面内进行，为对称平面加载及非对称面加载。在非对称面加载时，又选择了多个不同位置，以考察其载荷作用在形心及弯心等处对应力状态的不同影响。同时设计了通过不同桥路正确测量弯心槽钢角钢图1火车动态实验桥图2槽钢在大型屋顶钢结构中的应用1位置的实验方案，实验证明该方法是切实可行的。由于试件长度

4、的限制，测试截面不能视为自由扭转，这就带来了较为复杂的理论计算问题。为了正确设计加载方案，我们学习使用了ANSYS软件，进行了计算，为我们的方案设计提供了技术支持。二、实验方案设计考虑到槽钢的对称性及受力变形特点，应变片布置选择14片。在槽钢翼缘选择布置两个纵向片及一个三向应变花，主要是考虑翼缘的应力分布及弯心位置。在槽钢腹板布置三组应变片，其中一组为应变花，主要测量腹板应力分布及主应力大小。槽钢整体应变片布置见图3。图3.槽钢应变片布置图三、实验测试结果及讨论分析3.1在槽钢对称面内加载第一种加栽方式为在槽钢对称面内

5、加载（最不利的受力状态）。如图4所示。对63号槽钢进行加载，槽钢产生平面弯曲，在弹性范围内，其上部正应力分布应是呈[1]M⋅y线性关系的，理论值计算可由公式σ=导出：IyyPPxoBAL图4第一种加载方式示意图2P⋅l⋅yMmax=Pl(l=234mm)，σ=如图5（左）所示。maxIy对于槽钢的翼缘，在此方式加载时，其正应力分布也是遵循线性关系的。其分布如图5（右）所示。图5第一种加载方式下槽钢腹板和翼缘的正应力分布使用1—8号应变片来完成此项实验，实验中采用四分之一桥。实验前先用ANSYS软件进行分析，确定加载方案

6、。当载荷为1.5kN左右时，经有限元分析，试件插入端的最大应力为250MPa左右，如图6示。所以，为保证试件不被破坏，选取800N为最大载荷。图6有限元分析结果3实验测试结果见表1。表一各应变片读数1号2号3号4号5号6号7号8号数值差值数值差值数值差值数值差值数值差值数值差值数值差值数值差值100N00000000200N77-9-9-20-2011-6-6-15-15141488300N103-18-9-41-2165-12-6-32-1725111810400N188-26-8-63-2293-19-7-50-1

7、83813268500N246-34-8-86-23145-25-6-68-1851133610600N328-42-8-107-21195-30-5-85-176413448700N386-50-8-129-22234-37-7-103-187713539800N468-58-8-152-23274-43-6-120-179114618均值6.57-8.29-21.73.86-6.14-17.1138.71将应变值反映在图中，可表示为：10081828-10应变片值-20应变片位置（mm）图71-3号应变片位置与应变

8、值50-581828-10应变值-15-20应变片位置（mm）图84-6号应变片位置与应变值曲线41510应变值50082122应变片位置图97、8号应变片位置与应变值曲线对于槽钢腹板上的应力，由于装卡位置的应力无法用应变片测得，故设装卡位置的应力值为零。通过以上的实验和计算，可以得出结论：以图示第一种方式加载，槽钢腹板以及翼缘的