【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于结构工程和增材制造，尤其涉及一种电弧增材长柱钢管结构件实验装置及性能评估计算方法。
技术介绍
1、电弧增材制造(waam)采用电弧作为热源熔化金属丝材，通过逐层沉积焊丝来打印金属结构件。在各类增材制造工艺中，waam具有较高的沉积速率、较低的设备和原料成本，且对工作场所和成形尺寸的限制较小，特别适用于建筑工程领域大型金属结构件的制造。
2、长柱钢管结构件是一种应用广泛的结构承载构件，一般是指长细比大于8的柱状钢管构件，包括长细比>30的长柱和长细比8～30的中长柱，对于圆管其对应高径比一般大于4。长柱钢管结构件可以单独承载使用，也可通过多根钢管连接后的协同承载来实现如塔架、网架等结构体系的整体承载。极限轴压承载状态下，长柱钢管结构件一般出现整体屈曲或整体-局部相关屈曲的情况；不同截面类型、高径比、径厚比和初始几何缺陷均会导致长柱钢管结构件出现不同的屈曲变形模式。长柱钢管结构件的轴压破坏模式和承载能力在不同的规范中有相关规定，包括欧洲规范en-1993-1-4、美国规范aisc 370和中国规范gb50017等；这些规范中的设计式随着研究人员的最新研究而更新。
3、然而，由于waam打印结构件具有独特的材料性能和几何不规则性，现有钢结构规范中的设计式均是针对传统工艺制造长柱钢管结构件确定，对于waam打印长柱钢管结构件的几何特性和轴压承载性能，其是否适用是值得商榷的；因而有必要进行相关研究和归纳总结。在研究电弧增材长柱钢管结构件实验装置及性能评估计算方法的过程中，存在三个主要问题。首先，
4、综上所述，研究一种电弧增材长柱钢管结构件实验装置及性能评估计算方法，实现不锈钢、低碳钢等材质的waam长柱钢管结构件的几何特性测量以及轴压作用下的性能测试、缺陷影响、承载评估和应用设计是十分必要的。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是克服现有技术中的不足，提供一种电弧增材长柱钢管结构件实验装置及性能评估计算方法。
2、这种电弧增材长柱钢管结构件实验装置的性能评估计算方法，包括以下步骤：
3、s1、试件制备和几何测量：切割waam板件制作waam标准试件；使用同种材料进行waam长柱钢管结构件打印，测量waam长柱钢管结构件的基本几何参数，并基于构件内外壁中心面上截面轮廓的质心连线最大偏差计算整体几何缺陷；
4、s2、实验装置和测试方法：通过拉伸实验获得waam标准试件的平均力学性能参数，通过轴压实验并测量获得waam长柱钢管结构件的荷载-挠度变化曲线，从而得到waam长柱钢管结构件的轴压承载性能和极限承载力测试值；
5、s3、标准设计和性能评估：分析waam长柱钢管结构件极限承载力与其长细比参数和整体几何缺陷的相关性，根据现有长柱钢管结构件标准，计算waam长柱钢管结构件极限承载力的标准设计值；计算waam长柱钢管结构件极限承载力的测试值和标准设计值的比值，评估现有长柱钢管结构件标准计算预测waam长柱钢管结构件的准确性。
6、作为优选，步骤s1中，建立waam长柱钢管结构件的数字三维模型，将waam长柱钢管结构件切割成多个截面且定义每个截面的规划路径，规划路径包括扫描方向和沉积方向，每层沿环向为扫描方向，相邻层沿轴向为沉积方向；采用电弧焊枪沿规划路径逐层扫描并沉积金属丝材形成waam长柱钢管结构件。
7、作为优选，步骤s1中，waam板件包括薄板和厚板两种，采用线切割在waam板件上分别沿与扫描方向夹角θ为0°、45°和90°制作三组waam标准试件；waam标准试件的表面不进行后处理，即保留waam工艺产生的表面起伏形貌。
8、作为优选，步骤s1中，测量waam长柱钢管结构件的基本几何参数具体为，waam长柱钢管结构件的外壁面采用非接触式三维激光扫描仪进行直接扫描；采用模具硅胶对waam长柱钢管结构件的内壁面进行灌胶并脱模获得内壁面几何形貌的复制品，然后对硅胶模型外表面进行扫描间接获得waam长柱钢管结构件的内壁面；最后将外壁面和内壁面的几何模型进行整合，得到waam长柱钢管结构件的完整几何模型，基本几何参数根据三维扫描获得间隔取样间距的一系列截面轮廓计算确定。
9、作为优选，步骤s1中，waam长柱钢管结构件的整体几何缺陷定义为实际几何参数与理想几何参数的偏差；沿纵向从waam长柱钢管结构件的完整几何模型中提取一组外壁和内壁截面轮廓，获得对应一组中心面截面轮廓，并计算其质心位置；将两个端部中心面截面轮廓的质心连接形成一条直线作为理想轴线；然后计算每个截面轮廓的质心并逐段连接形成连续多段线以作为实际轴线，将每个截面轮廓质心连接形成的实际轴线与理想轴线的偏差视为整体几何缺陷；记每个waam长柱钢管结构件所有方向中最大的整体几何缺陷程度的值为wg，将wg用waam长柱钢管结构件的长度l归一化。
10、作为优选，步骤s2中，waam标准试件的平均力学性能参数包括弹性模量e、屈服强度fy、极限抗拉强度fu、极限应变εu和失效应变εf；采用液压试验机对waam长柱钢管结构件进行轴压承载性能试验，将液压试验机上端的自锁球铰的所有自由度固定，waam长柱钢管结构件的上下两端均安装刀口，使waam长柱钢管结构件在屈曲平面内转动，将整体几何缺陷最大的方向与屈曲方向对齐；在waam长柱钢管结构件的两端焊接钢板，钢板和刀口之间采用螺栓连接；稳定性计算时的waam长柱钢管结构件计算长度等于顶部和底部刀口的尖端之间的距离，采用位移控制模式进行单调加载，维持加载速率恒定直至waam长柱钢管结构件破坏。
11、作为优选，步骤s2中，采用应变片和位移计联合法进行waam长柱钢管结构件的位移和应变测量，在waam长柱钢管结构件中部屈曲方向的两个对称位置进行抛光，并分别设置竖向应变片；在上端板和下端板分别设置两个位移计来测量上下端板的位移，在waam长柱钢管结构件中部横向设置位移计来测量waam长柱钢管结构件中部的横向挠度；荷载数据由试验机内部的测力单元采集，进而得到waam长柱钢管结构件的荷载-挠度变化曲线和极限承载力测试值。
12、作为优选，步骤s2中，采用非接触三维数字图像相关法进行waam长柱钢管结构件的位移和应变测量，在测试之前，在监测的区域用金属漆喷涂散斑图案，试验过程中dic系统通过识别跟踪散斑图案来计算变形；荷载数据由试验机内部的测力单元采集，进而得到waam长柱钢管结构件的荷载-挠度变化曲线和极限承载力测试值；还可以通过非接触三维数字图像相关法得到的测量结果辅证应变片和位移计联合法的测量结果。
13、作为优选，步骤s3中，分析waam长柱钢管结构件极限承载力与其长细比参数和整体几何缺陷的相关性，评估几何尺寸和整体缺陷的影响；采用归一化后的抗压极限荷载nu/(aσ0.2)、长细比参数λ/εk和初始整体几何缺陷wg/本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种电弧增材长柱钢管结构件实验装置的性能评估计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的电弧增材长柱钢管结构件实验装置的性能评估计算方法，其特征在于，步骤S1中，建立WAAM长柱钢管结构件的数字三维模型，将WAAM长柱钢管结构件切割成多个截面且定义每个截面的规划路径，规划路径包括扫描方向和沉积方向，每层沿环向为扫描方向，相邻层沿轴向为沉积方向；采用电弧焊枪沿规划路径逐层扫描并沉积金属丝材形成WAAM长柱钢管结构件。
3.根据权利要求1所述的电弧增材长柱钢管结构件实验装置的性能评估计算方法，其特征在于，步骤S1中，WAAM板件包括薄板和厚板两种，采用线切割在WAAM板件上分别沿与扫描方向夹角θ为0°、45°和90°制作三组WAAM标准试件；WAAM标准试件的表面不进行后处理，即保留WAAM工艺产生的表面起伏形貌。
4.根据权利要求1所述的电弧增材长柱钢管结构件实验装置的性能评估计算方法，其特征在于，步骤S1中，测量WAAM长柱钢管结构件的基本几何参数具体为，WAAM长柱钢管结构件的外壁面采用非接触式三维激光扫描仪进行直接扫描
5.根据权利要求4所述的电弧增材长柱钢管结构件实验装置的性能评估计算方法，其特征在于，步骤S1中，WAAM长柱钢管结构件的整体几何缺陷定义为实际几何参数与理想几何参数的偏差；沿纵向从WAAM长柱钢管结构件的完整几何模型中提取一组外壁和内壁截面轮廓，获得对应一组中心面截面轮廓，并计算其质心位置；将两个端部中心面截面轮廓的质心连接形成一条直线作为理想轴线；然后计算每个截面轮廓的质心并逐段连接形成连续多段线以作为实际轴线，将每个截面轮廓质心连接形成的实际轴线与理想轴线的偏差视为整体几何缺陷；记每个WAAM长柱钢管结构件所有方向中最大的整体几何缺陷程度的值为wg，将wg用WAAM长柱钢管结构件的长度L归一化。
6.根据权利要求1所述的电弧增材长柱钢管结构件实验装置的性能评估计算方法，其特征在于，步骤S2中，WAAM标准试件的平均力学性能参数包括弹性模量E、屈服强度fy、极限抗拉强度fu、极限应变εu和失效应变εf；采用液压试验机对WAAM长柱钢管结构件进行轴压承载性能试验，将液压试验机上端的自锁球铰的所有自由度固定，WAAM长柱钢管结构件的上下两端均安装刀口，使WAAM长柱钢管结构件在屈曲平面内转动，将整体几何缺陷最大的方向与屈曲方向对齐；在WAAM长柱钢管结构件的两端焊接钢板，钢板和刀口之间采用螺栓连接；稳定性计算时的WAAM长柱钢管结构件计算长度等于顶部和底部刀口的尖端之间的距离，采用位移控制模式进行单调加载，维持加载速率恒定直至WAAM长柱钢管结构件破坏。
7.根据权利要求1所述的电弧增材长柱钢管结构件实验装置的性能评估计算方法，其特征在于，步骤S2中，采用应变片和位移计联合法进行WAAM长柱钢管结构件的位移和应变测量，在WAAM长柱钢管结构件中部屈曲方向的两个对称位置进行抛光，并分别设置竖向应变片；在上端板和下端板分别设置两个位移计来测量上下端板的位移，在WAAM长柱钢管结构件中部横向设置位移计来测量WAAM长柱钢管结构件中部的横向挠度；荷载数据由试验机内部的测力单元采集，进而得到WAAM长柱钢管结构件的荷载-挠度变化曲线和极限承载力测试值。
8.根据权利要求7所述的电弧增材长柱钢管结构件实验装置的性能评估计算方法，其特征在于，步骤S2中，采用非接触三维数字图像相关法进行WAAM长柱钢管结构件的位移和应变测量，在测试之前，在监测的区域用金属漆喷涂散斑图案，试验过程中DIC系统通过识别跟踪散斑图案来计算变形；荷载数据由试验机内部的测力单元采集，进而得到WAAM长柱钢管结构件的荷载-挠度变化曲线和极限承载力测试值；还可以通过非接触三维数字图像相关法得到的测量结果辅证应变片和位移计联合法的测量结果。
9.根据权利要求1所述的电弧增材长柱钢管结构件实验装置的性能评估计算方法，其特征在于，步骤S3中，分析WAAM长柱钢管结构件极限承载力与其长细比参数和整体几何缺陷的相关性，评估几何尺寸和整体缺陷的影响；采用归一化后的抗压极限荷载Nu/(Aσ0.2)、归一化后的长细比参数λ/εk和归一化后的初始整体几何缺陷wg/L，评估指标参数Nu/(Aσ0.2)和λ/εk、Nu/(Aσ0.2)和wg/L之间的相关...
【技术特征摘要】
1.一种电弧增材长柱钢管结构件实验装置的性能评估计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的电弧增材长柱钢管结构件实验装置的性能评估计算方法，其特征在于，步骤s1中，建立waam长柱钢管结构件的数字三维模型，将waam长柱钢管结构件切割成多个截面且定义每个截面的规划路径，规划路径包括扫描方向和沉积方向，每层沿环向为扫描方向，相邻层沿轴向为沉积方向；采用电弧焊枪沿规划路径逐层扫描并沉积金属丝材形成waam长柱钢管结构件。
3.根据权利要求1所述的电弧增材长柱钢管结构件实验装置的性能评估计算方法，其特征在于，步骤s1中，waam板件包括薄板和厚板两种，采用线切割在waam板件上分别沿与扫描方向夹角θ为0°、45°和90°制作三组waam标准试件；waam标准试件的表面不进行后处理，即保留waam工艺产生的表面起伏形貌。
4.根据权利要求1所述的电弧增材长柱钢管结构件实验装置的性能评估计算方法，其特征在于，步骤s1中，测量waam长柱钢管结构件的基本几何参数具体为，waam长柱钢管结构件的外壁面采用非接触式三维激光扫描仪进行直接扫描；采用模具硅胶对waam长柱钢管结构件的内壁面进行灌胶并脱模获得内壁面几何形貌的复制品，然后对硅胶模型外表面进行扫描间接获得waam长柱钢管结构件的内壁面；最后将外壁面和内壁面的几何模型进行整合，得到waam长柱钢管结构件的完整几何模型，基本几何参数根据三维扫描获得间隔取样间距的一系列截面轮廓计算确定。
5.根据权利要求4所述的电弧增材长柱钢管结构件实验装置的性能评估计算方法，其特征在于，步骤s1中，waam长柱钢管结构件的整体几何缺陷定义为实际几何参数与理想几何参数的偏差；沿纵向从waam长柱钢管结构件的完整几何模型中提取一组外壁和内壁截面轮廓，获得对应一组中心面截面轮廓，并计算其质心位置；将两个端部中心面截面轮廓的质心连接形成一条直线作为理想轴线；然后计算每个截面轮廓的质心并逐段连接形成连续多段线以作为实际轴线，将每个截面轮廓质心连接形成的实际轴线与理想轴线的偏差视为整体几何缺陷；记每个waam长柱钢管结构件所有方向中最大的整体几何缺陷程度的值为wg，将wg用waam长柱钢管结构件的长度l归一化。
6.根据权利要求1所述的电弧增材长柱钢管结构件实验装置的性能评估计算方法，其特征在于，步骤s2中，waam标准试件的平均力学性能参数包括弹性模量e、屈服强度fy、极限抗拉强度fu、极限应变εu和失效应变εf；采用液压试验机对waam长柱钢管结构件进行轴压承载性能试验，将液压试验机上端的自锁球铰的所有自由度固定，waam长柱钢管结构件的上下两...
【专利技术属性】
技术研发人员：王震，叶俊，赵阳，全冠，陈寅，程俊婷，杨学林，瞿浩川，
申请(专利权)人：浙大城市学院，
类型：发明
国别省市：
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