冷弯型钢直接强度法指南
由于薄壁构件的稳定性行为复杂，冷弯型钢构件的设计具有挑战性. 为了解决这个问题，已经开发了几种方法, 就像直接强度法一样 (帝斯曼), 最灵活、最现代的方法. SkyCiv 致力于帮助支持 DSM, 通过诸如此类的资源以及通过这种方法支持冷成型钢设计的软件.
DSM 无需计算有效宽度即可预测冷弯构件强度 [1] (有效宽度计算通常是一个复杂的过程，对于分析复杂的几何形状有很多限制). 用这种方法, 临界屈曲强度的计算可以通过多种方法进行, 主要是有限条法 (有限状态机) 和有限元法 (五). 在本指南中, 我们将探索:
什么是直接强度法 (帝斯曼)
的 直接强度法 (帝斯曼) 是一种主要用于冷弯型钢构件分析和设计的设计方法. 与传统方法不同 (例如有效宽度法) 依靠计算有效截面属性来解释局部屈曲, DSM 使用其完整的数据直接计算会员的实力, 未减少的横截面特性.
直接强度法的优缺点
| 优点 | 缺点 |
|---|---|
| 简化设计流程: 通过消除有效宽度计算来降低复杂性. | 学习曲线: 要求工程师熟悉新概念和配方. |
| 提高准确性: 直接考虑各种屈曲模式以进行精确的强度预测. | 有限的历史数据: 与传统方法相比，某些特定应用可用的经验数据较少. |
| 多功能应用: 适用于复杂、非常规截面. | 软件依赖: 可能需要并非所有从业者都能轻松获得的高级软件工具. |
| 统一方法论: 为不同的屈曲行为提供一致的方法. | 标准合规性: 并非所有区域代码都可以完全纳入 DSM 条款. |
| 促进创新: 由于其适应性强的框架，鼓励使用新材料和形状. | 抵制变革: 由于从业者坚持熟悉的方法，行业惯性可能会减缓采用速度. |
采用和接受:
DSM 得到认可并纳入主要国际设计标准, 如:
- AISI S100: 北美冷弯型钢结构构件设计规范.
- AS / NZS 4600: 澳大利亚/新西兰冷弯钢结构标准.
DSM 也被优先考虑为未来的方法，在大学中教授，并成为冷成型设计课程中更常见的方法. 我们还看到结构分析和设计软件包对它的支持有所增加，这些软件包正在将 DSM 集成到其设计模块中.
然而, DSM广泛采用仍存在一些障碍和挑战, 因为它是一种相对较新/未经教导的方法. 从传统方法的转变需要培训和适应, 一些从业者可能不愿意承担.
传统有限条法
FSM 是作为 FEM 的简化而创建的, 两种方法具有相同的理论背景, FSM也是一种矩阵方法. 通过定义截面的节点和元素，可以分析任何复杂的形状. 这鼓励部分优化并简化分析过程.
几种选择, 包括开源工具, 目前可用于执行有限带分析. 然而, 由于其复杂性，将这些工具与通用分析和设计软件集成具有挑战性. SkyCiv 最近构建了有限条法分析工具，该工具完全集成到我们的 分区生成器 软件. 该工具可自动计算标准和定制冷弯型材的 DSM 系数, 允许根据 AISI S100 进行 DSM 钢材设计, 如 4600 和其他国际标准.
FSM 将截面的横向形状离散成纵向条带 [3]. 这简化了传统的 3D 分析问题 6 问题的自由度 4 自由程度. 分析条带的不同长度（称为半波长）.
使用几何截面属性, 材料, 压力, 和负载条件, 构造两个全局矩阵, 弹性刚度矩阵 (什么时候) 和几何刚度矩阵 (公斤).
最后, 这代表了一个特征值分解问题, 其中特征值代表负载因子, 特征向量包含变形的形状.
屈曲模式类型
屈曲类别分为三个主要组, 全球的, 当地的, 和扭曲的, 取决于故障类型.
局部屈曲: 涉及横截面严重变形的屈曲, 但这种扭曲只包括旋转, 不是翻译, 在内部折叠线处 [2].
扭曲屈曲: 涉及横截面严重变形的屈曲, 但这种变形包括在构件的一个或多个内部折叠线处的旋转和平移 [2].
全局屈曲: 不涉及横截面扭曲的屈曲, 而是翻译 (弯曲) 和/或旋转 (扭力) 整个横截面发生 [2].
通过这个定义我们可以推断屈曲分类和变形形状之间存在很强的几何相关性, 我们显示了签名曲线每个点的变形.
DSM 因素
DSM 依靠特定因素来考虑不同屈曲模式的影响并计算冷弯型钢构件的极限强度. 这些因素是该方法的核心，并且与成员在当地的行为有关。, 扭曲的, 和全局屈曲. 这些是由系统自动计算的因素 SkyCiv DSM 计算器.
临界屈曲应力或载荷
这些因素代表构件的弹性屈曲极限，用于确定失效模式及其对强度的影响:
- P铬: 弹性整体屈曲载荷 (例如, = 平行于 x 轴的基础尺寸, 扭转的, 或弯扭屈曲), 注意: 该系数在特定设计模块中计算, 例如. AISI
- Pcrl: 局部屈曲的弹性临界载荷.
- Pcrd: 扭曲屈曲的弹性临界载荷.
- 中号铬: 弯曲整体屈曲的弹性临界力矩, 注意: 该系数在特定设计模块中计算, 例如. AISI
- 中号crl: 弯曲局部屈曲的弹性临界力矩.
- 中号crd: 弯曲变形屈曲的弹性临界力矩.
这些临界值通常使用 FSM 中的特征值或近似分析公式计算. 注意: 对于非对称截面，这些可以是任一方向, 因此该部分对于正/负方向可能有不同的因素, 例如在 SkyCiv DSM 计算器中，如下所示.
SkyCiv 剖面生成器中的有限条法
SkyCiv 有一个内置于我们的直接强度法计算器 剖面分析软件 (SkyCiv版块生成器) 它可以自动计算任何定制冷成型钢形状的关键 DSM 因素. 只需从部分生成器模块开始，加载 CFS 部分并单击 设计 -> 冷弯钢:
从这里, DSM系数将自动计算, 可供用户审核并提交:
该软件构建在 SkyCiv Section Builder 之上, 下 设计 – 冷成型. 将自动检测局部和扭曲屈曲最小值, 但是用户可以覆盖这些值. 一旦提交, 这些因素将用于 SkyCiv AISI 的设计 (2016) 和AS4600 (2018) 集成设计模块.
SkyCiv 弹性屈曲分析模块中, 我们在此澄清一些重要的假设和考虑因素. 我们将在下面探讨这些:
元素网格
元素的网格是自动生成的，可以在右图中查看, 鱼片被分成 4 元素, 和直线进入 4 元素也.
分析长度
用于执行有限带分析的长度默认定义为对数空间： 0 到英制单位系统中的 10^3 以及从 0 公制为 10^3.5.
负载条件
我们计算签名曲线 5 不同的负载条件:
- 轴向载荷
- X轴弯矩, 积极的
- X轴弯矩, 消极的
- Y轴弯矩, 积极的
- Y轴弯矩, 消极的
边界条件
假设模型被固定并在两端自由扭曲来进行分析.
特征曲线
使用传统的有限条带法构建签名曲线, Fy 标准化 (风 = 1) 因此负载系数以压力单位表示 (MPa 或 ksi 根据单位制).
负载系数选择
通常, 负载因子是特征曲线中的局部最小点, 第一个代表局部屈曲的临界载荷系数，第二个代表扭曲屈曲的临界载荷系数. 从特征曲线确定全局负载因子是一项艰巨的任务，因为特征曲线中没有局部最小值点. 所以, 最合适的解决方案是使用有限带分析中的局部和扭曲屈曲载荷因子以及使用经典公式的全局屈曲因子.
我们使用算法来查找和分类签名曲线中的负载因子. 然而, 这并不能确保在所有情况下都能正确分类, 这并不能取代工程判断, 我们鼓励用户在提交之前检查这些值并在必要时进行修改.
SkyCiv FSM 计算器: 分步指南
使用 FSM 模块, 您必须访问部分生成器并选择要分析的部分. 该部分必须符合以下要求才能进行分析:
- 该截面必须是冷成型的 (可以在“制造流程”中设置).
- 该部分必须是来自数据库或形状模板的开放形状, 渠道, 带嘴唇的通道, 泽伊, Zee 与 嘴唇, 或帽子.
- 宽度必须统一.
要执行分析，请单击“设计”, “FSM (冷成型)”.
如果当前部分存储了 DSM 因素 (正如我们的许多数据库部分一样), 系统会要求您覆盖以前的值:
您将看到默认负载条件的特征曲线 (轴向的), 具有相应应力分布的截面网格, 右侧表格包含所有负载条件下的 DSM 系数.
在不同的负载条件之间导航, 您可以使用左侧的下拉菜单或使用左右箭头键.
自动地, 软件将计算曲线上的适当点. 然而, 这并不能确保在所有情况下都能正确分类, 这并不能取代工程判断, 因此，我们鼓励用户在提交之前检查这些值，并在必要时通过单击曲线删除或添加点来修改它们. 用户还可以通过将光标悬停在曲线上来可视化变形的形状; 偏转的 (红) 形状将与原始形状一起显示 (蓝色) 形状:
检查完所有值后, 单击提交结果 提交:
该形状的值将被存储并用于构件设计冷成型标准.
结构工程师
ng (民用), ng (结构性)
领英
参考资料
- 北美冷弯型钢结构构件设计规范, 2016 版, 美国钢铁协会.
- 直接强度法 (帝斯曼) 设计指南, 2006, 冷弯型钢结构构件设计规范委员会.
- 使用 CUFSM 进行冷弯型钢构件的屈曲分析: 传统和约束有限条法, 体重. 谢弗和S. 阿达尼, 2006, 18第六届国际冷弯型钢结构专业会议.
