Een gids over de directe sterktemethode voor koudgevormd staal

Het ontwerp van koudgevormde stalen elementen is een uitdaging vanwege het complexe stabiliteitsgedrag van de dunwandige elementen. Om dit probleem aan te pakken zijn er verschillende methoden ontwikkeld, zoals de Directe Sterkte Methode (DSM), de meest flexibele en moderne aanpak. SkyCiv zet zich in om DSM te helpen ondersteunen, via middelen zoals deze en software die het ontwerp van koudgevormd staal ondersteunt via deze aanpak.

De DSM geeft voorspellingen van de sterkte van koudgevormde elementen zonder de effectieve breedte te berekenen [1] (Het berekenen van effectieve breedten is vaak een complex proces met veel beperkingen bij het analyseren van complexe geometrische vormen). Bij deze methode, de berekening van de kritische kniksterkte kan op verschillende manieren worden uitgevoerd, voornamelijk de eindige stripmethode (FSM) en de Eindige Elementenmethode (VIJF). In deze gids, wij zullen verkennen:

• Wat is de directe sterktemethode
• Acceptatie en adoptie in de industrie
• Conventionele eindige stripmethode
• Typen knikmodi
• Wat zijn de DSM-factoren?
• Eindige stripmethode in SkyCiv Section Builder

Wat is de directe sterktemethode (DSM)

De Directe sterktemethode (DSM) is een ontwerpbenadering die voornamelijk wordt gebruikt voor de analyse en het ontwerp van koudgevormde stalen onderdelen. In tegenstelling tot traditionele methoden (zoals de Effectieve Breedtemethode) die afhankelijk zijn van het berekenen van effectieve sectie-eigenschappen om rekening te houden met lokale knik, de DSM berekent rechtstreeks de kracht van het lid op basis van zijn volledige sterkte, onverminderde eigenschappen van de dwarsdoorsnede.

Voor- en nadelen van directe krachtmethode

Voordelen	Nadelen
Vereenvoudigt het ontwerpproces: Vermindert de complexiteit door effectieve breedteberekeningen te elimineren.	Leercurve: Vereist dat ingenieurs vertrouwd raken met nieuwe concepten en formuleringen.
Verbeterde nauwkeurigheid: Houdt direct rekening met verschillende knikmodi voor nauwkeurige sterktevoorspellingen.	Beperkte historische gegevens: Voor sommige specifieke toepassingen zijn minder empirische gegevens beschikbaar vergeleken met traditionele methoden.
Veelzijdige toepassing: Geschikt voor complexe en onconventionele doorsneden.	Softwareafhankelijkheid: Hiervoor zijn mogelijk geavanceerde softwaretools nodig die niet voor alle beoefenaars direct beschikbaar zijn.
Uniforme methodologie: Biedt een consistente aanpak voor verschillende knikgedragingen.	Standaardnaleving: Het is mogelijk dat nog niet alle regionale codes DSM-bepalingen volledig bevatten.
Faciliteert innovatie: Moedigt het gebruik van nieuwe materialen en vormen aan dankzij het aanpasbare raamwerk.	Weerstand tegen verandering: De inertie van de industrie kan de adoptie vertragen, omdat praktijkmensen vasthouden aan vertrouwde methoden.

Adoptie en acceptatie:

De DSM wordt erkend en opgenomen in belangrijke internationale ontwerpnormen, zoals:

• AISI S100: Noord-Amerikaanse specificatie voor het ontwerp van koudgevormde stalen constructiedelen.
• AS / NZS 4600: Australische/Nieuw-Zeelandse norm voor koudgevormde staalconstructies.

DSM krijgt ook prioriteit als toekomstige methode, omdat het op universiteiten wordt onderwezen en een meer algemene methode wordt die wordt onderwezen in koudgevormde ontwerpcursussen. We zien ook een toename van de ondersteuning door softwarepakketten voor structurele analyse en ontwerp die DSM in hun ontwerpmodules integreren.

Echter, er zijn nog steeds enkele obstakels en uitdagingen in het algemeen aanvaarde DSM, omdat het een relatief nieuwe/ononderwezen methode is. Overstappen van traditionele methoden vereist training en aanpassing, waar sommige beoefenaars misschien terughoudend in zijn.

Conventionele eindige stripmethode

De FSM is gemaakt als een vereenvoudiging van de FEM, beide methoden hebben dezelfde theoretische achtergrond, en de FSM is ook een matrixmethode. Door de knooppunten en elementen van een sectie te definiëren is het mogelijk om elke complexe vorm te analyseren. Dit stimuleert sectie-optimalisatie en vereenvoudigt het analyseproces.

Verschillende opties, inclusief open source-tools, zijn momenteel beschikbaar om Finite Strip-analyse uit te voeren. Echter, het integreren van deze tools met algemene analyse- en ontwerpsoftware is een uitdaging gebleken vanwege hun complexe aard. SkyCiv heeft onlangs een Finite Strip Method-analysetool gebouwd die volledig in onze software is geïntegreerd Sectiebouwer software. Deze tool automatiseert de berekening van DSM-factoren voor standaard en aangepaste koudgevormde secties, waardoor DSM-staalontwerp mogelijk is in overeenstemming met AISI S100, ALS 4600 en andere internationale normen.

De FSM discretiseert de transversale vorm van het profiel in longitudinale stroken [3]. Dit vereenvoudigt het traditionele 3D-analyseprobleem 6 vrijheidsgraden voor een probleem 4 graden van vrijheid. De stroken worden geanalyseerd op verschillende lengtes, de zogenaamde halve golflengte.

Gebruik van de geometrische doorsnede-eigenschappen, het materiaal, de spanningen, en de belastingstoestand, Er worden twee globale matrices geconstrueerd, de elastische stijfheidsmatrix (Wanneer) en de geometrische stijfheidsmatrix (kg).

Uiteindelijk, dit vertegenwoordigt een eigenwaarde-ontbindingsprobleem, waarbij de eigenwaarden de belastingsfactoren vertegenwoordigen, en de eigenvectoren bevatten de vervormde vorm.

Typen knikmodi

De knikklassen zijn onderverdeeld in drie hoofdgroepen, globaal, lokaal, en vervormend, afhankelijk van het type storing.

Lokale knik: Knik die aanzienlijke vervorming van de dwarsdoorsnede met zich meebrengt, maar deze vervorming omvat alleen rotatie, geen vertaling, bij de interne vouwlijnen [2].

Vervormende knik: Knik die aanzienlijke vervorming van de dwarsdoorsnede met zich meebrengt, maar deze vervorming omvat rotatie en translatie op een of meer interne vouwlijnen van een onderdeel [2].

Mondiale knik: Knik waarbij geen sprake is van vervorming van de doorsnede, in plaats daarvan vertaling (buiging) en/of rotatie (torsie) van de gehele doorsnede plaatsvindt [2].

Uit deze definitie kunnen we afleiden dat er een sterke geometrische correlatie bestaat tussen de knikclassificatie en de vervormde vorm, we tonen de vervormden voor elk punt van de handtekeningcurve.

DSM-factoren

Eindige stripmethode in SkyCiv Section Builder

SkyCiv heeft een Direct Strength Method Calculator ingebouwd Software voor sectieanalyse (SkyCiv Sectiebouwer) die automatisch de belangrijkste DSM-factoren kan berekenen voor elke aangepaste koudgevormde staalvorm. Start eenvoudigweg vanuit de Section Builder-module door een CFS-sectie te laden en te klikken Ontwerp -> Koudgevormd staal:

Vanaf hier, de DSM-factoren worden automatisch berekend, klaar voor de gebruiker om te beoordelen en in te dienen:

De software is bovenop de SkyCiv Section Builder gebouwd, onder Ontwerp – Koud gevormd. De lokale en vervormende knikminima worden automatisch gedetecteerd, gebruikers kunnen deze waarden echter overschrijven. Eenmaal ingediend, deze factoren zullen vervolgens worden gebruikt in het ontwerp voor de SkyCiv AISI (2016) en AS4600 (2018) geïntegreerde ontwerpmodules.

In SkyCiv module voor elastische knikanalyse, er zijn enkele belangrijke hypothesen en overwegingen die we hier verduidelijken. We zullen deze hieronder onderzoeken:

Netwerk van elementen

De mesh van de elementen wordt automatisch gegenereerd en kan in de rechtergrafiek worden bekeken, de filets worden in stukken verdeeld 4 elementen, en de rechte lijn erin 4 elementen ook.

Analyse lengtes

De lengtes die worden gebruikt om de eindige stripanalyse uit te voeren, worden standaard gedefinieerd als een logaritmische ruimte 0 tot 10^3 in het imperiale eenhedensysteem en vanaf 0 tot 10^3,5 in het metrieke stelsel.

Laadomstandigheden

We berekenen de handtekeningcurve voor 5 verschillende belastingsomstandigheden:

• Axiale belasting
• Buigmoment in de X-as, positief
• Buigmoment in de X-as, negatief
• Buigmoment in de Y-as, positief
• Buigmoment in de Y-as, negatief

Randvoorwaarden

De analyse wordt uitgevoerd in de veronderstelling dat het model vastgezet is en aan beide uiteinden vrij is om te kromtrekken.

Kenmerkende curve

De signatuurcurve wordt geconstrueerd met behulp van de conventionele Finite Strip-methode, Fy is genormaliseerd (Fy = 1) dus de belastingsfactoren worden weergegeven in drukeenheden (MPa of ksi volgens het eenheidssysteem).

Selectie van de belastingsfactor

Over het algemeen, de belastingsfactoren zijn de lokale minimumpunten in de signatuurcurve, de eerste vertegenwoordigt de kritische belastingsfactor voor lokale knik en de tweede vertegenwoordigt de kritische belastingsfactor voor vervormende knik. Het bepalen van de globale belastingsfactor uit de signatuurcurve is een moeilijke taak, aangezien er geen lokaal minimumpunt in de signatuurcurve bestaat. Dus, de meest geschikte oplossing is om de lokale en vervormende knikbelastingsfactoren uit een Finite Strip-analyse en de globale knikfactor te gebruiken met behulp van de klassieke formules.

We gebruiken een algoritme om de belastingsfactoren in de handtekeningcurve te vinden en te classificeren. Echter, dit garandeert niet in alle gevallen een correcte classificatie, en dit vervangt het technische oordeel niet, we moedigen de gebruiker aan om de waarden te controleren en indien nodig aan te passen voordat deze worden verzonden.

 

SkyCiv FSM-calculator: Stap voor stap handleiding

Om de FSM-module te gebruiken, u moet de sectiebouwer openen en de sectie selecteren die u wilt analyseren. De sectie moet aan de volgende vereisten voldoen om te worden geanalyseerd:

1. Het profiel moet koudgevormd zijn (U kunt dit instellen in “Fabricageproces”).
2. De sectie moet een open vorm zijn uit een database of een sjabloon van de vormen, Kanaal, Kanaal met lippen, Zee, Zee met lippen, of hoed.
3. De breedte moet uniform zijn.

Om de analyse uit te voeren, klikt u op “Ontwerp”, “FSM (Koud gevormd)".

Als de huidige sectie DSM-factoren bevat, worden deze opgeslagen (zoals veel van onze databasesecties zijn), u wordt gevraagd de vorige waarden te overschrijven:

U ziet de kenmerkende curve voor de standaardbelastingstoestand (Axiaal), de sectie past in de betreffende spanningsverdeling, en rechts een tabel met de DSM-factor voor alle belastingsomstandigheden.

Om te navigeren tussen de verschillende belastingsomstandigheden, U kunt de vervolgkeuzelijst aan de linkerkant gebruiken of de pijltjestoetsen links en rechts gebruiken.

Automatisch, de software berekent de juiste punten op de curve. Echter, dit garandeert niet in alle gevallen een correcte classificatie, en dit vervangt het technische oordeel niet, Daarom moedigen we de gebruiker aan om de waarden te bekijken en indien nodig aan te passen door in de curve te klikken om een ​​punt te verwijderen of toe te voegen voordat deze wordt verzonden. Gebruikers kunnen de vervormde vorm ook visualiseren door de cursor over de curve te bewegen; het afgebogen (rood) vorm wordt samen met het origineel weergegeven (blauw) vorm:

Nadat u alle waarden heeft gecontroleerd, verzend de resultaten door op te klikken Draai de weergave zodat u eenvoudig de twee gemeenschappelijke spanten kunt selecteren met een selectie van links naar rechts:

De waarden voor die vorm worden opgeslagen en gebruikt in koudgevormde standaarden voor staafontwerp.

Referenties

1. Noord-Amerikaanse specificatie voor het ontwerp van koudgevormde stalen constructiedelen, 2016 zal overwegen C, Amerikaans IJzer- en Staalinstituut.
2. Directe sterktemethode (DSM) Ontwerpgids, 2006, Comité voor specificaties voor het ontwerp van koudgevormde stalen constructiedelen.
3. Knikanalyse van koudgevormde stalen onderdelen met behulp van CUFSM: conventionele en beperkte eindige stripmethoden, BW. Schafer en S. Adany, 2006, 18e Internationale Specialiteitconferentie over koudgevormde staalconstructies.