冷間成形鋼の直接強化法のガイド
冷間成形鋼部材の設計は、薄肉部材の複雑な安定性挙動により困難です. この問題に対処するために、いくつかの方法が開発されています, 直接強度法と同様 (DSM), 最も柔軟で現代的なアプローチ. SkyCiv は DSM のサポートに全力で取り組んでいます, このようなリソースや、このアプローチを通じて冷間成形鋼の設計をサポートするソフトウェアを通じて.
DSM は、有効幅を計算せずに冷間成形部材の強度を予測します。 [1] (有効幅の計算は、多くの場合、複雑な幾何学的形状を解析するための多くの制限を伴う複雑なプロセスになります。). この方法では, 臨界座屈強度の計算はさまざまなアプローチで実行できます。, 主に有限ストリップ法 (FSM) と有限要素法 (五). このガイドでは, 私たちは探索します:
直接強度方法の要因の計算に関するチュートリアルをご覧ください
直接力法とは (DSM)
の 直接強化法 (DSM) 主に冷間成形鋼部材の解析と設計に使用される設計アプローチです. 従来の方法とは異なり、 (有効幅法など) 局所的な座屈を考慮した有効断面特性の計算に依存するもの, DSMは、メンバーの強さを完全に使用して直接計算します, 非還元された断面特性.
直接強度方法の長所と短所
| 長所 | 短所 |
|---|---|
| 設計プロセスを簡素化します: 効果的な幅の計算を排除することにより、複雑さを削減します. | 学習曲線: エンジニアは新しい概念や定式化に慣れる必要がある. |
| 精度の向上: さまざまな座屈モードを直接考慮して、正確な強度を予測します. | 限られた過去のデータ: 従来の方法と比較して、一部の特定のアプリケーションで利用できる経験的データが少ない. |
| 多用途なアプリケーション: 複雑で型破りな断面に適しています. | ソフトウェアの依存性: すべての実務者がすぐに利用できるわけではない高度なソフトウェア ツールが必要になる場合があります. |
| 統一された方法論: さまざまな座屈行動にわたって一貫したアプローチを提供します. | 標準コンプライアンス: すべての地域コードがまだDSMの規定を完全に組み込むことができるわけではありません. |
| イノベーションを促進します: 適応性のあるフレームワークにより、新しい素材や形状の使用が促進されます。. | 変化への抵抗: 実務者が使い慣れた方法に固執するため、業界の惰性により導入が遅れる可能性がある. |
採用と受け入れ:
DSM は認識され、主要な国際設計標準に組み込まれています, といった:
- AISI S100: 冷間成形鋼構造部材の設計に関する北米仕様.
- AS / NZS 4600: 冷間成形鋼構造に関するオーストラリア/ニュージーランド規格.
DSM は、大学でも教えられ、冷間成形設計コースで教えられるより一般的な方法になるため、将来の方法としても優先されています。. また、DSMを設計モジュールに統合している構造分析と設計ソフトウェアパッケージによるサポートの増加も見られます。.
しかしながら, DSMが広く採用されていることにはまだいくつかの障害と課題があります, それは比較的新しい/無しの方法だからです. 従来の方法からの移行にはトレーニングと適応が必要です, 一部の実践者はこれに取り組むことに消極的になる可能性があります.
従来の有限ストリップ法
FSM は FEM を簡略化して作成されました, どちらの方法も同じ理論的背景を持っています, また、FSMもマトリックスメソッドです. セクションのノードと要素を定義することにより、複雑な形状を分析することができます. これによりセクションの最適化が促進され、分析プロセスが簡素化されます。.
いくつかのオプション, オープンソースツールを含む, 現在、有限ストリップ解析を実行できます。. しかしながら, これらのツールを一般的な分析および設計ソフトウェアと統合することは、その複雑な性質により困難であることが判明しています。. SkyCiv は最近、有限ストリップ法分析ツールを構築しました。このツールは、 セクションビルダー ソフトウェア. このツールは、標準およびカスタム冷間成形セクションの DSM 係数の計算を自動化します。, AISI S100に準拠したDSM鋼設計が可能, なので 4600 その他の国際基準.
FSMは、セクションの横方向の形状を縦方向のストリップに離散化します [3]. これにより、従来の 3D 解析の問題が簡素化されます。 6 問題に対する自由度 4 自由度. ストリップは、半波長と呼ばれるさまざまな長さで分析されます。.
幾何学的断面プロパティの使用, 材料, ストレス, そして負荷の状態, 2 つのグローバル行列が構築されます, 弾性剛性マトリックス (いつ) および幾何学的剛性マトリックス (Kg).
最後に, これは固有値分解問題を表します, ここで、固有値は負荷係数を表します, 固有ベクトルには変形した形状が含まれます.
座屈モードのタイプ
座屈クラスは 3 つの主要なグループに編成されます, グローバル, ローカル, そして歪んでいる, 故障の種類に応じて.
局部座屈: 断面の大きな歪みを伴う座屈, ただし、この歪みには回転のみが含まれます, 翻訳ではありません, 内側の折り線のところで [2].
歪み座屈: 断面の大きな歪みを伴う座屈, ただし、この歪みには、部材の 1 つ以上の内部折り線での回転と平行移動が含まれます。 [2].
全体的な座屈: 断面歪みを伴わない座屈, 代わりに翻訳 (たわみ) および/または回転 (ねじれ) 断面全体の [2].
この定義により、座屈分類と変形形状の間に強い幾何学的相関があると推測できます。, シグネチャ カーブの各点の変形を示します。.
DSM の要素
DSMは、さまざまな座屈モードの効果を説明し、コールドフォルミングスチールメンバーの究極の強度を計算するために特定の要因に依存しています. これらの要因は方法の中心であり、ローカルの下でのメンバーの行動に結び付けられています, 歪み, そして世界的な座屈. これらは、 SkyCIV DSM計算機.
重大な座屈ストレスまたは負荷
これらの要素は部材の弾性座屈限界を表し、破損モードと強度への影響を決定するために使用されます。:
- Pcr: 弾性グローバル座屈荷重 (例えば, 曲げ, ねじれ, または曲げねじり座屈), 注意: この係数は設計固有のモジュールで計算されます。, 例えば. AISI
- Pcrl: 局部座屈に対する弾性臨界荷重.
- Pクレジット: 歪み座屈に対する弾性臨界荷重.
- Mcr: 曲げにおける全体的な座屈の弾性臨界モーメント, 注意: この係数は設計固有のモジュールで計算されます。, 例えば. AISI
- Mcrl: 曲げ時の局部座屈に対する弾性臨界モーメント.
- Mクレジット: 曲げ時の歪み座屈に対する弾性臨界モーメント.
これらの臨界値は通常、FSM の固有値または近似解析式を使用して計算されます。. 注意: 非対称セクションの場合はどちらの方向でも可能です, そのため、セクションには正/負の方向の両方で異なる係数が含まれる可能性があります。, 以下に示す SkyCiv DSM 計算ツールなど.
SkyCiv セクション ビルダーの有限ストリップ法
SkyCiv には直接強度法計算機が組み込まれています。 断面解析ソフトウェア (SkyCivセクションビルダー) あらゆるカスタム冷間成形鋼形状の主要な DSM 係数を自動的に計算できます。. CFSセクションにロードしてクリックして、セクションビルダーモジュールから開始するだけです デザイン -> 冷間成形鋼:
ここから, DSM係数は自動的に計算されます, ユーザーがレビューして送信する準備ができました:
ソフトウェアは SkyCiv Section Builder の上に構築されています, 下 設計 – 冷間成形. 局所的な座屈と歪みの最小値が自動的に検出されます。, ただし、ユーザーはこれらの値をオーバーライドできます. 提出後, これらの要素は SkyCiv AISI の設計に使用されます。 (2016) および AS4600 (2018) 統合された設計モジュール.
SkyCiv 弾性座屈解析モジュール内, ここで明らかにする重要な仮説と考慮事項がいくつかあります. これらについて以下で説明します:
要素のメッシュ
要素のメッシュが自動的に生成され、右のグラフで確認できます。, フィレットは次のように分割されます 4 要素, そして直線は 4 要素も.
分析の長さ
有限ストリップ解析の実行に使用される長さは、デフォルトで次の対数空間として定義されます。 0 インペリアル単位系では 10^3 まで、およびから 0 メートル法で 10^3.5 まで.
負荷条件
以下の署名曲線を計算します。 5 さまざまな負荷条件:
- アキシアル荷重
- X軸の曲げモーメント, ポジティブ
- X軸の曲げモーメント, ネガティブ
- Y軸の曲げモーメント, ポジティブ
- Y軸の曲げモーメント, ネガティブ
境界条件
解析は、モデルが固定されており、両端が自由に反ることを想定して実行されます。.
署名曲線
シグネチャ曲線は従来の有限ストリップ法を使用して構築されます。, Fyは正規化されています (Fy = 1) したがって、負荷係数は圧力単位で表示されます。 (単位系による MPa または ksi).
負荷率の選択
一般的に, 負荷係数は署名曲線の極小点です。, 1 つ目は局部座屈の臨界荷重係数を表し、2 つ目は歪み座屈の臨界荷重係数を表します。. シグネチャ曲線には極小点がないため、シグネチャ曲線からグローバル負荷係数を決定することは困難な作業です。. そう, 最も適切な解決策は、有限ストリップ解析からの局所座屈荷重係数と歪み座屈荷重係数、および古典的な公式を使用した全体座屈係数を使用することです。.
アルゴリズムを使用して、署名曲線内の負荷係数を見つけて分類します。. しかしながら, これは、すべてのケースで正しい分類が保証されるわけではありません, そして、これは工学の判断に代わるものではありません, 送信する前に値を確認し、必要に応じて変更することをお勧めします。.
SkyCiv FSM 計算機: ステップバイステップガイド
FSMモジュールを使用するには, セクションビルダーにアクセスし、分析したいセクションを選択する必要があります. セクションは分析されるために次の要件に準拠する必要があります:
- セクションは冷間成形する必要があります (「製造工程」で設定できます).
- セクションはデータベースからの開いた形状、または形状のテンプレートである必要があります。, チャネル, 唇のあるチャンネル, ゼー, 唇でジー, または帽子.
- 幅は均一でなければなりません.
分析を実行するには、「デザイン」をクリックします。, 「FSM」 (冷間成形)」.
現在のセクションに DSM 係数が保存されている場合 (私たちのデータベースセクションの多くと同様に、), 以前の値を上書きするように求められます:
デフォルトの荷重条件の署名曲線が表示されます。 (アキシャル), それぞれの応力分布を持つ断面メッシュ, 右側には、すべての負荷条件の DSM 係数を示す表が表示されます。.
異なる負荷条件間を移動するには, 左側のドロップダウンを使用するか、左右の矢印キーを使用できます.
自動的に, ソフトウェアは曲線上の適切な点を計算します。. しかしながら, これは、すべてのケースで正しい分類が保証されるわけではありません, そしてこれは工学的な判断に代わるものではありません, そのため、送信する前に値を確認し、必要に応じて曲線をクリックして点を削除または追加することで値を変更することをお勧めします。. ユーザーは曲線の上にカーソルを置くことで、変形した形状を視覚化することもできます。; そらされた (赤) 形状は元の形状で表示されます (青) 形:
すべての値を確認したら, をクリックして結果を送信してください 繰り返し間の距離:
その形状の値は保存され、冷間成形規格の部材設計で使用されます。.
構造エンジニア
ベン (民事), MEng (構造)
参考文献
- 冷間成形鋼構造部材の設計に関する北米仕様, 2016 版, アメリカ鉄鋼協会.
- 直接強化法 (DSM) 設計ガイド, 2006, 冷間成形鋼構造部材設計仕様委員会.
- CUFSMを使用した冷間成形鋼部材の座屈解析: 従来の制約付き有限ストリップ法, B.W. シェーファーとS. アダニー, 2006, 18第 1 回冷間成形鋼構造に関する国際専門会議.
