4人の実験研究

Rapporti scientifici Volume 12,

Scientific Reports volume 12、記事番号: 7275 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

薄肉の冷間成形構造は、機械工学で使用される構造要素として昔も今も非常に人気があります。最新の技術と材料工学の進歩により、さまざまな形状の薄肉冷間成形部品を製造できるようになりました。したがって、薄壁コンポーネントでは、技術の可能性、材料特性、荷重、工学的要件の組み合わせは幅広く、無制限です。この論文の目的は、全体的および局所的な座屈現象に基づいて、4 点曲げ荷重下で冷間成形された C チャンネル鋼梁の実験研究を実行することです。試験装置は、薄肉鋼梁に 4 点曲げ荷重を加えるために特別に設計されたサポートシステムを備えて開発され、サポートと荷重は開断面鋼梁のせん断中心に適用されました。調査した梁が理想的に作られていないため、せん断中心に荷重と支持が適用される開いたセクションを持つ薄肉梁のトルク負荷を完全に除去することは不可能であることが示されています。薄肉の開断面梁は、境界条件と幾何学的精度に非常に敏感です。重力も働いています。提示された研究方法を改善し、他の開放断面薄壁梁でテストを行うことができます。

薄壁の冷間成形構造が従来の冶金セクションに比べて優れている点は、同様の耐久性特性を持つ構造がはるかに軽量であることです。さらに、冷間成形された薄肉コンポーネントは、成形プロセスを考慮すると制限が少なくなります。昨年の技術開発により、鋼の細部のほぼすべての冷間成形が可能になりました。開放断面の薄肉ロッドとビームを使用した解析手法は、Vlasow (1940) の理論に由来しており、小さな変位の仮定と応力とひずみの間の線形特性が定式化された数学的依存関係の基礎となります。薄壁開放断面梁の理論は、構造剛性、全体的および局所的な安定性が設計時に重要な役割を果たす、長いシェルとプレートの理論の仮定に基づいています。棒、シェル、プレート、その他の構造の理論的安定性については、Timoshenko と Gere1 によって説明されています。現在、薄壁構造の強度と安定性がエンジニアや科学者にとって興味深い研究論文が数多く発表されています。

開いた断面を持つ薄肉梁の安定性は、Magnucki らによって研究されました。そしてMagnucka-BlandziとZając2。 Magnucki et al.3 は、その単行本の中で、応用力学の問題における安定性の問題について説明しています。彼らは、バー、ビーム、構造バーの接続システムなどの基本的な構造モデルの安定性について説明しました。長方形や円形の薄い板と回転する砲弾の安定性を徹底的に表現しました。彼らの研究には、開いたセクションを持つ薄肉梁の安定性に関する章が含まれています。著者らは、エネルギーベースの手法を分析研究に適用し、鋼製タンクの問題に関する現実的な問題を提示しました。彼らは、有限要素法の応用と最新の安定性試験実験の実践例を紹介しました。薄肉構造の安定性のテーマは、Anbarasu 4, 5 によっても分析されました。彼は、冷間成形鋼薄肉リップ溝座屈挙動の結果を発表しました。実験的および計算的研究手法が開発されました。局所、歪み、横方向、ねじれなどの座屈モードの相互作用を数値モデルに基づいて調査しました。究極の抵抗と適切な曲げモーメントを推定しました。 Anbarasu5 は、研究において残留応力を無視し、ひずみ硬化を行わない弾性完全塑性材料モデルを適用しました。座屈モード間の相互作用が推定された、提案された解析式は、エンジニアにとって興味深い設計ツールとなる可能性があります。

Anbarasu al.6 と Dar al.7 は、フランジが帯状に曲がっている、いわゆるリップドチャネルと呼ばれる、チャネルから構築された薄肉鋼梁の実験研究の結果を発表しました。ウェブは互いに一定の距離を置いて配置され、鋼板はワッシャー付きのタッピンねじによってチャンネルフランジに接続されています。テストされたビームは 3 点および 4 点曲げを受けました。試験された鋼製チャンネルとプレートフランジで構成される梁は対称システムであり、反力と静荷重の方向の両方が断面の重心と横力の中心と交差しました。試験中の断面の反りを防ぐために、鋼板が梁の端に溶接されました。著者らは、CFSと呼ばれる薄肉構造の特徴である局所的な座屈を指摘した。別の論文8で、著者らは、圧縮フランジを備えた長方形のCFS複合梁の一連の実験テストの結果を発表し、従来の解決策と比較してこれらの構造の剛性が高いことを示しました。構造の剛性と梁の耐荷重能力を高めるためにアングルセクションで補強された薄壁CFS構造の別の実験研究9。 4 点曲げ構成の開いたセクションと閉じたセクションの両方を持つ梁を、さまざまな補強システムについて調査しました。この論文では、補強要素を適切に選択すると、CFS 技術で作られたビームの耐荷重能力と剛性が 85% から 100% に向上すると指摘しています。次の論文では、Ambaransu10 が、CFS 技術で作成された閉断面を持つ梁のシミュレーション研究の結果を発表しました。彼は、実験研究からの文献データを参照して、Abaqus ソフトウェアでシミュレーションモデルの検証を実行しました。試験は、CFS 鋼製梁のさまざまな断面形状とさまざまな挿入要素の厚さに対して実行されました。

非対称 I 断面ビームの座屈問題の実験的研究は、Balasubramanian らによって行われました 11。得られた結果をFEM法により検証した。提示された実験方法論は、フランジ面の 2 つのピンへの荷重による 4 点曲げの下で、さまざまな断面部品についてテストされました。試験された各部材の臨界荷重が指定されました。 Belingardi et al.12 は、接続された部品間に接着剤が塗布された鋼製の薄壁トップハットボックス梁を実験的に研究しました。荷重を加えた状態で 3 点曲げを使用しました。 3 種類のメンバーの行動を調査しました。試験中に試験片と薄肉部材の間の層として複合積層板を使用しました。 4 点曲げのビーム座屈モード間の相互作用は、Shokouhian ら 13 によって実験的、解析的、および有限要素法によって開発されました。圧縮力を受けた薄肉スラットアルミニウム柱の座屈と座屈後は、Ziółkowski et al.14 によって調査されました。実験テストでは、圧縮力の変位制御が新しい研究課題でした。実験試験に使用されるアルミニウム製の試験片は、幾何学的に非常に精密に作られており、これは薄肉構造の実験研究において非常に重要な要素であることが判明しています。アルミニウム柱の機械的特性は、ポアソン比推定値の変更によっても正確に決定されました。実験中、著者らはプラスチックの座屈を指定するために重要な場所にテストひずみゲージを接着して使用しました。アルミニウム柱の座屈実験の結果、材料のプラスチック降伏、弾性および非弾性座屈が発生しました。著者らは、細さと座屈機構に応じて検討対象の試験片を分類した。

Rusiński らによる興味深い論文 15 では、薄壁構造の鋼板金属部品がスポット溶接によって接合されている薄壁構造の安定性の問題について説明しています。著者らは、軸方向の圧縮荷重がかかった薄肉の閉断面部品を FEM 法によって実験的および計算的に調査しました。エネルギー吸収量は溶接径と溶接ピッチを制御した。すべての構造要素はさまざまな技術によって固定されます。適用される接続方法、技術、および利用条件は、薄壁構造の静的および動的安定性のエネルギー吸収特性の観点から重要な役割を果たす可能性があります。薄壁構造には、機械的エネルギーを散逸させるという実用的な利点もあります。単調かつ周期的な荷重を受ける薄肉冷間成形鋼梁の実験研究が Calderoni らによって行われました 16。動的実験研究は、変位振幅の変化に基づいていました。単調試験中に、反力と試験片の変位が測定されました。受け取った力の特性と変位依存性に基づいて、特定のフェーズが分離されました。観察できたのは、安定状態の相、局所的な座屈による臨界力、および試験セクションの崩壊による不安定な状態です。繰り返し試験では、調査された梁の挙動が耐荷重能力の漸進的な減少によって特徴付けられることが注目されました。通常、フランジの局所的な座屈は部品の破壊につながります。

He et al.17 の論文では、薄肉の開断面梁の座屈問題が調査されています。 3 つの異なる断面形状の部材の解析には、半解析的有限ストリップ伝達マトリックス法と伝達マトリックス法の 2 つの方法が使用されています。得られた結果を有限要素法シミュレーションと比較しました。著者らは、座屈解析に適用される数値手法とさまざまな概念の進化について幅広く説明しました。調査された部材: 非対称 E 断面、対称 I 断面、および X 断面の提案された戦略と座屈結果が比較され、議論されます。穴あき薄肉冷間成形構造に対する欠陥の影響は、Ungureanu et al.18 によって調査されました。実験的調査は、著者らによって有限要素法を使用した数値シミュレーションで補足されました。著者らは、薄肉冷間成形構造の安定性を確保するには、特定の故障確率に対して結果を出せる信頼性解析を追加で実行する必要があると結論付けました。引張試験と 4 点曲げ試験を行った厚さ 1 mm の薄い鋼板におけるバウシンガー効果の実験的研究が、Kato et al.19 によって取り上げられました。試験片の残留応力を示唆するために引張試験が使用され、その後、実験研究と曲げ荷重の測定中にワイヤひずみゲージが使用されました。その結果、動的荷重や周期的な荷重と除荷が利用条件となる場合、薄壁構造エンジニアにとって応力と残留ひずみレベルが重要になる可能性があります。

上記の研究は、安全バリアのエネルギー吸収要素として開放セクションを備えた薄肉梁を使用する分野に関する研究のほんの一部を表していることに注意してください。薄肉ビームは、受動的保護として車両構造のエネルギー吸収要素としても使用されます。 Vignjevic et al.20 の論文の著者は、車両の安全性における安定構造の問題に関する研究結果を発表しました。冷間成形された薄壁構造は、自動車の車体構造に一般的に適用されます。現代の車両のボディは、車両の受動的安全性を重視して設計されています。衝突時には、荷重の方向、強度、荷重のかかる場所が異なります。構造破壊の第一段階は線形弾性変形、次に塑性変形と座屈、材料の引き裂きと接合部の破壊です。著者の Vignjevic20 は、衝撃荷重がかかると薄壁の本体構造の剛性が低下することに気づきました。薄壁の動的構造の変形は材料特性、製造プロセス、設計に直接依存するため、貴重な観察は梁理論の限界となります。論文の中で、Vignjevic20 は、一軸および二軸の深曲げ破壊下での長方形の梁などの薄壁構造によるエネルギー吸収に焦点を当てました。薄壁構造の動的調査は、必要な研究分野であると思われます。

著者のObstら21は、開放断面を備えた薄肉鋼製梁を実験的および分析的に研究し、設置点と荷重点はウェブ平面内にあり、追加のダイヤフラムが使用されました。別の論文では、著者の Obst ら 22 も、4 点曲げを受けた薄肉開断面梁の安定性研究を発表しました。境界条件は、薄壁構造の安定性に重要な役割を果たします。調査した梁は 4 点曲げで荷重を加え、梁断面の重心に設置しました。

本稿では特殊なハンドルでせん断中心に支持し荷重を加えた３種類のＣ形開断面鋼梁の実験研究結果を紹介した。実験研究中に使用されたハンドルは、円筒形のピン、ピンに取り付けられたリング、およびビームウェブにボルトで固定されたブラケットで構成されていました。リングの中心とビームウェブの間の距離によって、特定の断面形状の計算されたせん断中心の位置が決まります。図 1、2、3 にはハンドルが表示されます。

ウェブの硬い鋼板とヒンジにより、ビームをせん断中心に設定して荷重をかけることができます。

曲げ。

ひずみゲージ (A1、A2、A3) と変位センサー (B) の配置の概略図。

実験調査では、図4に示すように、3つの異なるC型断面冷間成形鋼梁が使用されました。実験中、梁試験片は4点曲げが適用される特別な支持システムによって設置されました。さらに、設定点と力点が、テストされた薄壁ビームのせん断中心に適用されました。実験研究は、以下の横方向および縦方向の寸法を持つ梁に対して準備されました (表 1)。

ビームの断面寸法。

ビームの荷重スキームとその寸法を図 5 に示します。試験片ビームの設定点と荷重点は、図 1 に示す硬い鋼板とネジによってビームウェブに取り付けられた特別な装置でした。簡単な調整により、次の可能性が得られました。開断面試験片ビームのせん断中心の位置をロックします。実験研究は、図 2 に示すダイヤフラムなしとダイヤフラムありの 2 つの設定システムに対して準備されました。

荷重スキームとビームの長手方向の寸法。

実験試験は、追加の剛性ビームシステムとせん断中心境界条件による薄肉試験片の 4 点曲げを実現できる設定を備えた引張試験機 Zwick Z100 で準備および実行されました。試験された各試験片ビームには、ウェブの角と中心 (図 3、6) およびビームフランジの中心に接続されたひずみゲージが取り付けられました。

ひずみゲージは試験片ウェブとフランジに接続されています。

試験片ウェブに加えて、図に示すように、ウェブの硬い鋼板の角の 4 点の変位を測定する誘導変位センサーが取り付けられました。 3と7。

剛性の高い鋼板の4点に変位センサーを貼り付けています。

試験片ウェブの剛性プレートに適用された変位センサーを使用して、荷重上昇中の試験片断面の回転を分析しました。荷重を加えてせん断中心に設置した調査対象の梁には純粋な曲げモーメントがかかるはずですが、実際の実験条件ではこれを実現するのは困難です。

実験テストでは、3 つの異なる断面形状の梁が調査されました。引張機械のトラバース速度は \(5\ {\text{mm/min}}\)、初期力は \(0,5\ {\text{kN}}\) でした。すべての試験片は特別なハンドルによって試験片のせん断中心に支持され、荷重が加えられました。ウェブからせん断中心までの距離は、薄肉ビームの所定の断面について解析的に決定されました。シアー中心の位置は \(0,1\ {\text{mm}}\) の精度で測定されました。せん断中心の物理的な位置決めには誤差が存在し、これはウェブからの距離の測定の精度、およびビームの製造の精度、たとえばビームの長手方向の真直度に起因します。図 2a に示すように、試験片は 4 点で曲げられました。引張試験機 Zwick Z100 によってゼロから座屈点まで、梁が崩壊するまで静的に増加する荷重を加えます。図 8 に示すように、下部フランジにしわが寄り始める部分で、座屈と曲げによる破壊が開始されることが観察されました。試験中にビームのねじれが観察され、図 9 に示されています。

C 型は補強なし、安定性を失った後の二重ボックスフランジと 1 つのボックスビーム。

4点曲げ実験時の梁断面の変形。

実験研究では、純粋な曲げを受けた 3 つの異なる断面の薄肉梁を調査しました。 4 点曲げ、せん断中心荷重およびセットを適用する静的テストでは、純粋な曲げが実現される必要があります。残念ながら理想的な純粋な曲がりは得られませんでした。単調に荷重が増加している間、ビームのわずかなねじれ歪みを観察することができました。ビーム試験片の鋼の機械的特性は、ビームの材料から切り取った平らな試験片の引張試験中に測定されました。測定された特性は次のとおりです。ヤング率 \(E = 185\ {\text{GPa}}\)、ポアソン比 \(\nu = 0.3\)、降伏点 \(R_{eH} = 330\ {\text{MPa} }}\)、引張強さ \(R_m = 380\ {\text{MPa}}\)。実験テストに基づいて、次の結果が得られました (図 10)。

図11aでは、測定点の変位間の関係が観察できます。提示された結果は、縦方向の x 軸を中心としたビーム断面の回転として解釈できます。荷重がかかったC型断面ビームは、小さな荷重でも回転します。そのような状況の原因は、技術的および物質的な欠陥です。適用されたハンドルは、注目のシチュエーションのベースです。実験方法も、上記の問題の原因となる可能性があります。実験特性に基づいて、図 10 から局所座屈と全体座屈に対する臨界力をそれぞれ求めることができます: \(F_{Lcr}=0.6\ {\text{kN}}\)、\(F_{Gcr}=2.6\ {\text {kN}}\)。チャート上の局所的および全体的な座屈は、特徴的な非線形性の始まりとして解釈されます (図 11b)。

C型補強部材なし。

ウェブディスプレイスメントポイント。 UG – 固定剛性鋼板上の上部ウェブ点の変位、UD – 固定剛性鋼板上の下部ウェブ点の変位、UGS – 可動剛性鋼板上の上部ウェブ点の変位、UDS – 可動剛性鋼板の変位可動剛性鋼板の下部ウェブポイント。

ダブルボックスフランジと補強部品のウェブ変位点も断面の相対回転を示しますが、すべての測定点の回転は同じ方向になります (図 12)。せん断中心に設定点や荷重点を設けても、回転を完全に低減することは不可能です。境界条件と適用された特別なハンドルは、観察される断面の回転現象に影響を与えます。ダブルボックスフランジと補強部材の局所的および全体的な座屈に対する検出された臨界力は、それぞれ等しい: \(F_{Lcr}=13\ {\text{kN}}\)、\(F_{Gcr}=16\ {\text {kN}}\)。

二重ボックスフランジと補強部材。

図 13 に示す、補強部品のない 1 つのボックスフランジに関する実験結果は、二重ボックスフランジと補強部品よりも臨界力の値が低くなります。この場合、局所座屈と全体座屈の臨界力はそれぞれ \(F_{Lcr}=8\ {\text{kN}}\) と \(F_{Gcr}=9\ {\text{kN}}\) になります。）。図 11c の変位結果は、断面の回転が記録されていることを示しています。テストしたすべての梁について、その後の座屈プロセスのモード、つまり曲げモーメントによって引き起こされる局所的な座屈、曲げモーメント荷重による歪み座屈段階、および全体的な座屈が観察できます。

補強部材のないワンボックスフランジ。

二重ボックスフランジと補強材として定義された断面の梁と、補強材のない 1 つのボックスフランジとして定義された断面の梁についても、同じ試験を実行しました。この場合、セットと荷重は梁のせん断中心点にありますが、図に示すようなダイヤフラムを追加で適用しました。 5b.

ハンドルにダイアフラムを適用したテストの実験結果を図 14 に示します。ダイアフラムは梁の断面形状に合わせた合板補強板にすぎません。ダイアフラムを使用したテストは、図 4b に示す補強ビーム付きのダブルボックスフランジと、図 4c に示す補強ビームのない 1 つのボックスフランジの 2 つの部材に対して実行されました。

合板振動板を使用したテスト済みのメンバー。

前述のようにダイヤフラムを適用すると、局所座屈と全体座屈に対する臨界力がそれぞれ発生します: \(F_{Lcr}=15\ {\text{kN}}\)、\(F_{Gcr}=19\ {\text {kN}}\) は、ダブルボックスフランジおよびダイヤフラム付き補強部品の場合です (図 15)。ハンドルの上下で測定された変位 (図 16) は、テスト中にビームがわずかに回転していることを示していますが、回転の性質はダイヤフラムのない同じビームとは異なります。

ダイアフラムを適用した補強部材のない 1 つのボックスフランジでは、それぞれ局所座屈と全体座屈に対する臨界力が発生しました: \(F_{Lcr}=4\ {\text{kN}}\)、\(F_{Gcr}=11\ {\ text{kN}}\) (図 17)。図 17a では、\(F_{peak}=4\ {\text{kN}}\) 付近のチャートのピークが正確に見えています。おそらくハンドル、セッティングシステム、またはネクタイの滑りが原因と考えられます。 \(F_{peak}=4\ {\text{kN}}\) を超えると、曲線は \(F=16\ {\text{kN}}\) まで上昇し、この力は全体的な最大座屈力として受け入れられます。

ダブルボックスフランジとダイヤフラム付き補強パーツ。

ウェブディスプレイスメントポイント。 UG - 固定剛性鋼板上の上部ウェブ点の変位、UD - 固定剛性鋼板上の下部ウェブ点の変位、UGS - 可動剛性鋼板上の上部ウェブ点の変位、UDS - 可動剛性鋼板の変位可動剛性鋼板の下部ウェブポイント。

ダイアフラム付き補強部品のないワンボックスフランジ。

図 18 に示されているように、調査されたビームの耐荷重を比較すると、ダイアフラムを適用すると、ビームの座屈に対する耐性が向上します。もちろん、ダイヤフラムは薄肉構造の剛性上昇要素として実用化されていますが、今回の研究事例では実験試験中に純粋な曲げを得ることを試みました。境界条件とビームの製造プロセスが不完全であるため、ビーム断面の回転を完全に低減することはできませんでした。追加の実際的な結論も得られます。ビームの精度、組み立て、利用条件は、薄肉システムの作業にとって非常に重要です。

変位曲線: すべてのビーム。

さまざまな断面形状の冷間成形薄肉梁を実験的に研究し、各梁のせん断中心に荷重と支持を加えて 4 点静的曲げを行った結果、次の結論が得られました。

複雑なフランジを備えた薄肉ビームは、平らなフランジを備えた薄肉ビームよりも高い臨界力を持ちます。

フランジとウェブを観察すると、薄肉梁の局所的な安定性の損失がはっきりと確認できました。特徴的な半波が現れています。

ウェブの変位（変位センサーからの読み取り値に基づいて推定された相対変位）の測定により、ビームを支持し、横力の中心で力を加えているにもかかわらず、各ビームが横力の中心を通過する縦軸の周りで回転していることがわかりました。テストされたビームの断面、

横力の中心で梁を支持し、横力の中心に荷重を与えた場合に、横力の中心を通る軸に沿ったベクトルのねじりモーメントが発生する理由は、テストされたビームの製造。開いた薄壁セクションのねじり剛性は非常に低く、ビームの製造における避けられない不正確さにより、4 点曲げの中央ブラケット間の純粋な曲げという理論上の作用にもかかわらず、ねじりモーメントが発生します。

実験テスト中に観察された追加の困難は、重力が重力であり、バランスを取る試みにもかかわらず、得られる結果と、支持点と負荷点を通過する軸に対するねじりモーメントの作用に影響を及ぼしました。

せん断された薄肉部分の試験は、強化ダイヤフラムを使用して実行する必要があります。これは、開いた薄肉梁で動的試験を実行する場合に特に重要です。ダイヤフラムが不足すると、ビームの局所的な破損と局所的な塑性変形による破損の伝播が発生します。

薄壁のオープン鋼片は、道路障壁のエネルギー吸収パネルなど、道路インフラの建設に広く使用されています。適切な断面形状、材料および支持点の選択は、車両の始動時に高度なエネルギー吸収を達成するための重要なガイドラインです。

エネルギー吸収構造の場合、実際の物体でのテストが不可欠です。開放断面梁などの薄壁構造は、高いねじれコンプライアンスを特徴とし、これは取り付けシステムを含む薄壁構造の精度に明らかに影響されます。

研究の著者らは、材料と構造のエネルギー消費に関連する問題にさらなる研究を向けています。動的テスト装置が開発されており、得られた結果は次に提示されます。

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Maciej Obst と Piotr Wasilewicz の著者も同様に貢献しました。

ポズナン工科大学、材料および構造強度部門、ポズナン、ポーランド

マチェイ・オブスト & ピョートル・ワシレヴィッツ

ポズナン工科大学機械設計研究所、ポズナン、ポーランド

ヤロスワフ・アダミエツ

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MO と PW が実験を考案し、MO と PW が実験を実行し、MO と JA が結果を分析しました。著者全員が原稿をレビューしました。

通信はヤロスワフ・アダミエツです。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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Obst, M.、Wasilewicz, P. & Adamiec, J. 荷重を加えてせん断中心に設置した薄肉開断面鋼梁の 4 点曲げの実験的研究。 Sci Rep 12、7275 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-10035-z

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受信日: 2021 年 11 月 3 日

受理日: 2022 年 3 月 30 日

公開日: 2022 年 5 月 4 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-10035-z

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