纵向变厚度钢板(LP钢板)材料力学性能与构件受力性能研究

纵向变厚度钢板(longitudinally profiled plate,LP钢板)是一种厚度沿轧制方向连续变化的特殊纵向形状新型钢板,由于其自身独特的几何特性和材料特性,使其在节能减排、轻量节材、优化结构等多方面具有独特优势,并在国内外具有良好的应用和研究前景。本文依据国内外关于纵向变厚度钢板的研究成果和发展动态,通过材料力学性能拉伸实验和有限元模拟分析,对纵向变厚度翼缘工字钢梁构件的承载力性能、破坏模式等方面开展相关研究,探究翼缘初始厚度改变对于构件承载力的影响效果。

纵向变厚度钢板力学性能试验研究

由于轧制工艺不同,纵向变厚度钢板力学性能与等厚度钢板存在较大差异,且性能变化范围较大。针对该问题进行研究,对12~120 mm厚的纵向变厚度钢板进行拉伸、冲击及Z向性能试验,得到钢板不同厚度处力学性能变化规律并评价其均质性。结果表明:纵向变厚度钢板性能基本满足相关规范要求,强度指标随厚度增加而降低;Z向性能稳定,但冲击韧性随厚度变化波动较大,板厚较大时需要特别注意。变厚度钢板的力学性能不同于等厚度钢板,采用等厚度钢板性能评价指标并不合理,需要进行深入研究。

纵向变厚度钢板轧制工艺研究与生产实践

结合国内外纵向变厚度钢板(LP钢板)生产应用及轧制理论研究,从钢板特性和轧制原理对轧制过程参数进行分析,并与常规轧制参数对比。在首秦4300 mm宽厚板轧机试轧LP钢板后,对其进行组织、性能和尺寸检测。结果显示:尺寸达到设定要求,金相组织以铁素体+珠光体为主,并随着厚度的变化产生差异,在薄端有贝氏体类组织产生,性能满足Q345C钢标准要求,表明首钢具备了LP钢板的开发和生产能力。

纵向变厚度(LP)矩形钢板弹性屈曲系数的理论分析

纵向变厚度(LP)钢板因适应现代化建筑超高层及大跨度的发展使用需求,将广泛应用于工程结构中。因LP钢板几何形状的特殊性,其局部屈曲变形更容易发生在靠近薄端的位置,并且钢板局部稳定性能与相同受力状态下的等厚度钢板差异较大,需要进行深入研究。基于能量原理,采用Galerkin和Rayleigh-Ritz法(GRM),对单向均匀受压荷载作用下四种不同边界条件下的矩形LP钢板的弹性屈曲系数的计算公式进行了理论推导,并采用ANSYS有限元软件验证了公式的正确性。最后得到了不同厚度放大系数下,四种边界条件下的矩形钢板的弹性屈曲系数与钢板长宽比的关系曲线图,进一步为LP钢板的工程应用提供理论指导和设计依据。

纵向变厚度(LP)钢板轧制技术和受弯构件承载性能研究

纵向变厚度钢板(LP钢板)是一种新型节约型绿色钢板,可广泛运用于工业与民用建筑、桥梁船舶及其他特种结构当中,其研发和应用对促进结构优化设计,建筑节能减排有重要意义。该文介绍了国内纵向变厚度钢板特殊的轧制与矫直技术,综述了钢板材料力学性能以及翼缘纵向变厚度工形截面简支梁在弹性和弹塑性阶段变形和承载性能的理论、试验和数值分析研究结果,得出了材料性能随厚度变化的规律,提出了翼缘纵向变厚度工形截面简支梁的承载力设计值和正常使用极限状态下变形计算方法。

Ti-Mg氧化物型热轧变厚度钢板的组织演变和力学性能研究

纵向变厚度钢板具有轻量化、节约、环保的优点,应用于船舶、桥梁等领域。由于不同厚度部位的变形和冷却参数不同,容易产生组织性能不均的问题,其生产难度明显大于等截面钢板。针对变厚度钢板的组织调控,提出氧化物析出控制与控轧控冷相结合的技术思路,开展了实验研究,探索了不同变形冷却条件下Ti-Mg氧化物型热轧变厚度钢板组织演变规律,考察了不同板厚热轧组织性能调控效果。结果表明:Ti-Mg实验钢中的典型夹杂物为MgO-TiO-MnS-TiN型复相析出物,可有效促进晶内针状铁素体形核。实验钢过冷奥氏体连续冷却转变过程中,随着冷速的增加,发生多边形铁素体、针状铁素体、粒状贝氏体和板条贝氏体的转变;随着变形量的增大,其CCT曲线中各相变区间向上方移动。实验钢在未变形条件下宏观维氏硬度高于变形条件下的硬度,并且各变形条件下的硬度基本一致。在高温轧制和控制冷却条件下,12、20 mm两种厚度实验钢板的组织均为针状铁素体;12 mm厚钢板的屈服强度为426 MPa,冲击功为186 J;20 mm厚钢板的屈服强度为407 MPa,冲击功为190 J。

纵向变厚度钢板焊接工字形截面受压短柱的局部稳定试验研究

纵向变厚度(LP)钢板是一种沿轧制方向具有不同厚度钢板的钢材,可用于优化结构的力学性能和提高材料利用率。为研究其局部稳定性能,设计了6根LP翼缘焊接工字形截面短柱,6根LP腹板焊接工字形截面短柱和4根传统等厚度焊接工字形截面短柱,并进行了轴向受压试验。试验研究中确定板临界屈曲荷载的两个主要屈曲准则,同时分析了破坏模式、荷载-侧向变形曲线、荷载-应变曲线和极限荷载,研究LP短柱的局部屈曲行为,得到试件更容易在LP钢板的薄端发生屈曲破坏。将试验结果与现有等厚度板设计规范计算结果进行比较可得,现有等厚度板的设计规范预测腹板变厚度短柱的极限荷载偏于危险,而对于翼缘变厚度短柱欧规EN 1993-1-5能较为准确预测,但需要进一步的数值模拟去验证,从而进一步提出修正公式或者修正系数来指导设计。

翼缘纵向变厚度工型截面梁变形性能试验

为研究翼缘纵向变厚度工型截面简支梁的变形性能,对2根翼缘纵向变厚度工型截面梁与2根等厚度梁进行静力加载对比试验,同时采用有限元软件ANSYS进行数值模拟.变厚度梁翼缘材料为Q345GJC等级纵向变厚度钢板,加载方式包括单点加载和两点加载.试验结果表明:试件均发生明显的板件局部屈曲;采用翼缘纵向变厚度工型截面简支梁,不仅可以在保证承载力的情况下大大减少用钢量,而且可以获得更大的强度储备;也可以达到密实截面的变形要求,满足塑性设计要求.有限元结果与试验结果吻合良好.该试验结果可为翼缘纵向变厚度工型截面钢梁的塑性变形设计提供依据.

翼缘纵向变厚度工型截面简支梁承载性能有限元分析

目的研究翼缘纵向变厚度工型截面简支梁的构件受力性能,为其进一步参数化分析提供依据.方法采用有限元软件ANSYS对2根翼缘纵向变厚度构件和2根等厚度对比构件进行模拟,研究单点加载和两点加载情况下的承载性能,考虑试验侧向支撑和理想侧向边界条件的影响,并将模拟结果与试验结果进行对比.结果有限元计算结果与试验结果吻合良好,4根构件截面均达到密实截面要求,且翼缘变厚度工型截面梁可以获得更大的强度储备;理想侧向支撑有利于提高构件的整体承载力,相比试验侧向支撑模型提高约5%.结论笔者建立的有限元模型能够合理模拟试验条件,且建议在进一步参数化分析中采用理想侧向支撑边界条件;纵向变厚度钢板节省用钢量以及本身强度优势,用于工型截面受弯构件翼缘可以获得更高的强度储备和更大的经济效益.

LP钢板风电塔筒生产工艺试验与关键装备研发

介绍了LP钢板(纵向变厚度钢板Longitudinally Profiled steel plate)国内外研发、生产、行业应用、标准制定及相关理论研究方面的现状。借鉴直缝埋弧焊管生产线工艺流程及装备技术,试验生产了LP钢板风电塔筒,从加工路线、工艺参数、装备选择、生产过程控制等方面,进行了系统性研究。论述了生产LP钢板风电塔筒装备与直缝埋弧焊管生产线装备的差异,对两种成型装备进行了比较。为LP钢板风电塔筒规模化生产,提出了工艺路线、成型工段区装备改造升级、拼焊与辅连设备研发方案。

370MPa级纵向变厚度耐候桥梁钢板性能及组织演变研究

为了开发桥梁用减量化、节约型绿色纵向变厚度(LP)钢板,通过合理的化学成分设计,结合鞍钢集团鲅鱼圈5 500 mm厚板生产线工艺路线,设计了合理的加热及轧制规程,成功试制出370 MPa级纵向变厚度桥梁钢板,其最大变厚度尺寸25 mm;通过拉伸、冲击、弯曲、OM、TEM等试验,检测了其组织性能。结果表明:纵向变厚度桥梁钢板具有优良的综合力学性能,随着轧制方向钢板厚度的增加,总变形量减小、终轧温度升高、冷却速率减小,钢板屈服强度有所降低,伸长率提高,抗拉强度较为稳定,-40℃冲击功有所波动。不同厚度处钢板金相组织分布有所不同,钢板薄端和中部为铁素体+少量珠光体及贝氏体组织,晶粒尺寸细小;而厚端位置贝氏体组织消失,晶粒较为粗大。钢板轧后空冷的析出相主要为(Nb, Ti)C,薄端析出相尺寸小、数量多,厚端析出相尺寸大、数量少。试制的LP钢板整板组织性能均匀性较好。

纵向变厚度EH40钢板的组织和性能

采用拉伸、冲击、硬度、OM和TEM等方法研究纵向变厚度EH40钢板的组织和性能。结果表明,由于EH40钢板的薄端和厚端的制备工艺过程不同,其纵向的组织和性能呈现多样化;随着钢板厚度的增加屈服强度由534 MPa降低至489 MPa,抗拉强度由599 MPa降低至569 MPa。在-60℃进行冲击实验时,钢板薄端的冲击吸收能量大于200 J,而厚端的冲击吸收能量出现波动。钢板厚端的晶粒尺寸比薄端的粗大,贝氏体的含量低。在30 mm和40 mm位置全厚度都有贝氏体组织,厚度为8 mm时50 mm位置的贝氏体组织全部消失。薄端和厚端的析出相均为(Nb,Ti)C,但是薄端析出相的数量多、尺寸小,厚端析出相的数量少、尺寸大。

翼缘纵向变厚度焊接工字形截面钢梁整体稳定性能试验

为研究翼缘纵向变厚度焊接工字形截面钢梁的整体稳定性能,共设计了11个变厚度梁和2个等厚度梁并进行无侧向约束整体稳定试验,包含三点弯和四点弯两种加载方式,0、2、4、6、8 mm/m共5种厚度变化率。试验结果表明:钢梁均发生弹塑性弯扭失稳破坏,卸载后仍有明显残余变形;相比四点弯加载,翼缘厚度变化对三点弯加载钢梁承载性能的影响更为明显。对现有等厚度梁的整体稳定设计方法和稳定系数曲线进行总结,结合精细化有限元分析得到,变厚度梁的弹性失稳临界弯矩随着翼缘厚度变化率增大而降低。基于现有等厚度梁规范稳定曲线进行变厚度梁稳定承载力计算时,建议采用有限元分析或者以平均截面尺寸下的等厚度梁近似计算弹性失稳屈曲临界弯矩,由此可得相比按跨中最大截面设计相对安全的稳定承载力。最后将试验结果与规范计算所得稳定承载力对比,结果表明欧洲规范BS EN 1993-1-1最为安全,中国规范GB 50017—2017次之,美国规范ANSI/AISC 360-16最不安全。变厚度梁整体稳定设计方法的提出还需进一步深入研究。

楔形板AGC系统仿真研究

介绍了楔形板的厚度控制(AGC)原理,建立了楔形板AGC系统的基本数学模型。采用机理的建模方法,建立了楔形板电液伺服控制系统。基于MATLAB仿真软件设计了PID控制器,并对楔形板液压AGC系统进行了动态仿真。仿真结果表明,所设计的楔形板AGC控制系统稳定性良好,系统响应速度较快、信号辨识能力较强。对比输入输出信号可知,通过AGC系统可得到纵向厚度平稳变化的楔形板。