مدلسازی تجربی، عددی و تحلیلی اتصالات پیچی خودکار بین ورق های فولادی نازک در برش
رفتار برشی اتصالات پیچی خودکار بین ورق‌های فولادی نازک از طریق مدلسازی تجربی، عددی و تحلیلی در این مقاله بررسی شده است. در نوزده مجموعه از نمونه‌های اتصال تک لپ با اتصالات پیچی خودکاری تا مرحله شکست برشی آزمایش و بررسی شدند. منحنی‌های توان کامل در مقابل تغییر شکل ثبت شده و سه حالت شکست معمولی به دست آمد و نشان داده شد که ارتباط نزدیکی با نسبت قطر پیچ در ضخامت ورق دارد. قبل از آزمایش، پاسخ‌های سازنده ورق‌های فولادی نازک استفاده شده از آزمایشات کوپن کششی به‌دست آمدند که بیشتر توسط یک مدل سه مرحله‌ای شامل یک شاخه الاستیک، یک شاخه پلاستیکی توصیف شده توسط معادلات لودویک، و یک شاخه آسیب تعریف شده توسط مدل جانسون-کوک و قانون تکامل آسیب تجمع خطی ارائه شدند. مدل‌های المان محدود پیشرفته (FE) از اتصالات پیچ توسعه داده شده و در برابر نتایج آزمایش برشی به دست آمده اعتبارسنجی شدند. پس از آن یک مطالعه پارامتری بر روی تأثیرات ضخامت ورق و قطر پیچ انجام شد. طبق نتایج بدست آمده از آزمایش و مدلسازی FE، یک مدل پیش‌بینی جدید برای رفتار تغییر شکل برشی اتصالات پیچ خودکاری پیشنهاد و کالیبره شد. مدل پیش‌بینی پیشنهادی جدید بیشتر در مدل‌های عددی تیرهای جعبه ای سرد ساخته شده توسط پیچ‌های خودکار معرفی شد که کاربرد آن با شواهد تجربی موجود تأیید شد.
پیچ‌های خودکار معمولاً در مونتاژ اعضا و ورق‌های فولادی با شکل‌دهی سرد به منظور کارایی و راحتی در ساخت استفاده می‌شوند. در مقایسه با اتصالات پیچ و مهره ای، اتصالات پیچ خودکار معمولاً استحکام بسیار کمتری دارند. با این حال رفتار غیرخطی قابل توجهی از خود نشان می‌دهند که ضرورت بررسی‌های جامع عملکرد مکانیکی را نشان می‌دهد. بسیاری از مطالعات تجربی، عددی و تحلیلی استحکام اتصالات پیچی در چند دهه گذشته را مورد بررسی قرار دادند. پکز بیش از 3500 آزمایش روی اتصالات پیچی از پنج کشور مختلف را بررسی و خلاصه کرد و از این پایگاه داده آزمایشی برای پیشنهاد معادلات طراحی در اتصالات پیچی تحت برش یا کشش استفاده کرد. پان مطالعات تجربی و تحلیلی را روی اتصالات پیچی خودکار تحت برش یا ترکیبی از برش و کشش در چین انجام داد. بر اساس پایگاه داده آزمون موجود، فن و همکارانش مدل‌های المان محدود (FE) اتصالات پیچی تک دور را برای پیش‌بینی توزیع تنش، چرخش پیچ، مقاومت و تغییر شکل توسعه دادند. پایگاه‌های اطلاعات تحقیقات تجربی در مورد اتصالات پیچی توسط راجرز و هنکوک، بابالو و لابوبه، بامباخ و راسموسن گسترش یافتند. این دستاوردهای تحقیقاتی توسعه دستورالعمل‌های طراحی و فرمول‌های محاسباتی را با هدف استحکام اتصالات پیچی امکان‌پذیر کرد که توسط استانداردهای طراحی در سراسر اروپا، استرالیا/نیوزیلند، ایالات متحده و چین پذیرفته شده‌اند. اخیرا، محاسباتی در کد چینی GB 50018 به طراحی اتصالات پیچی با استفاده از ورق های فولادی نازک با ضخامت کمتر از 1.5 میلی متر توسط لی و همکارانش ارائه شد که توسط چائو و همکارانش نیز برای پیش بینی دقیق استحکام برشی یک اتصال تک پیچ مجددا بررسی شدند.
عبارات طراحی اصلاح شده در طراحی اتصالات پیچی براساس استاندارد استرالیا/نیوزیلند AS/NZS 4600 توسط هیون و همکارانش ارائه شد. در همین حال، رفتار غیرخطی قابل توجهی از اتصالات پیچی خودکار تحت برش در تحقیقات هنریک و همکارانش، روی و همکارانش، هیون و همکارانش، و ژانگ و همکارانش تایید شد که شامل انواع گریدهای فولاد همچون S320، G450، G500 و G550 (S550) می شود. اگرچه نشان داده شد که رفتار غیرخطی نیرو در مقابل تغییر شکل اتصالات پیچی نقش مهمی در تعیین عملکرد کلی سازه ایفا می کند، وجود مطالعات تحلیلی عمیق در مورد مکانیسم حمل بار و رفتار تغییر شکل اتصالات پیچی کمیاب است، که محور بحث این مقاله است. آزمایشات برشی در نوزده مجموعه از نمونه‌های اتصال تک لپ با اتصالات پیچی خودکاری انجام شد و نیروی کامل در برابر پاسخ‌های تغییر شکل به‌دست آمد.
در این پژوهش مطالعات تجربی، عددی و تحلیلی جامعی بر روی رفتار برشی اتصالات پیچی خودکار بین ورق های فولادی نازک انجام شده است. در مجموع، نوزده مجموعه از نمونه های اتصال تک لپ با اتصالات پیچی خودکار تهیه و تا مرحله شکست تحت برش آزمایش شدند. سه حالت شکست معمولی شامل برینگ حفره های ورق، شکست برشی و تیلتینگ پیچ‌ها به‌دست آمد که ارتباط نزدیکی با نسبت قطر پیچ به ضخامت ورق داشتند. نیروی برشی کامل در برابر پاسخ‌های تغییر شکل نمونه‌های اتصال تک لپی به‌دست‌آمده و با جزئیات بیشتر ارائه شد. همچنین مشخص شد که سختی اولیه، نیروی برشی و ظرفیت تغییر شکل به شدت با ضخامت ورق و قطر پیچ مرتبط هستند. از تست‌های کوپن کششی استاندارد برای تعیین منحنی‌های تنش-کرنش کامل در ورق‌های فولادی نازک استفاده شد و در ادامه، مدلسازی موازی FE گزارش شد. از یک مدل سه مرحله‌ای شامل یک شاخه الاستیک، یک شاخه پلاستیکی توصیف‌شده توسط معادلات لودویک، و یک شاخه آسیب تعریف‌شده توسط مدل جانسون-کوک و قانون تکامل آسیب تجمع خطی برای توصیف دقیق پاسخ‌های سازنده ورق های فولاد نازک استفاده شد. علاوه براین، مدل‌های پیشرفته FE از نمونه‌های اتصال تک لپ با در نظر گرفتن پاسخ آسیب ورق‌های فولادی توسعه یافتند و در نتایج آزمایش برشی به‌دست‌آمده از نظر نیروی برشی در مقابل منحنی‌های تغییر شکل و اشکال تغییر شکل‌یافته اعتبارسنجی شدند. پیشنهاد می‌شود که ویژگی‌های هندسی پیچ‌ها را می‌توان به صورت مجموعه‌ای از ساقه پیچ، واشر مقعر و رزوه‌های استاندارد مارپیچ ساده سازی کرد.
مطالعه پارامتری بعدی بر روی تأثیر دو عامل کلیدی ضخامت ورق و قطر پیچ انجام شده و مشخص شد که شکست برشی پیچ‌ها در صورتی که نسبت قطر/ضخامت کمتر از 4.0 باشد، ممکن است یاتاقان رخ دهد. خرابی حفره های ورق زمانی ایجاد می‌شود که این نسبت از 8.0 بیشتر شود. هر دو حالت خرابی و همچنین شکست تیلتینگ پیچ‌ها زمانی رخ می دهد که این نسبت بین 4.0 تا 8.0 متغیر باشد. باتوجه به نتایج تجربی و عددی حاصل شده، یک مدل پیش‌بینی جدید برای رفتار تغییر شکل برشی اتصالات پیچی خودکاری بین ورق‌های فولادی نازک پیشنهاد شد. ضرایب محاسباتی کلیدی در این مدل پیش‌بینی با کمک مطالعه تحلیلی استخراج شده و با استفاده از منحنی‌های F-Δ در آزمایشات و تحلیل FE کالیبره شد. مدل پیشنهادی می‌تواند ارزیابی‌هایی از اتصالات پیچی خودکاری با آرایش تک پیچ یا چند پیچی ارائه دهد و در برابر دامنه مقادیر ضخامت ورق از ۰.۴ تا ۳.۰ میلی‌متر با نسبت قطر/ضخامت بیش از ۴.۰ تأیید شده است. کاربرد و دقت مدل پیشنهادی نیز در برابر نتایج تجربی قبلی از تیرهای جعبه ای فولادی با شکل‌دهی سرد که توسط اتصالات پیچی خودکار مونتاژ شده‌اند، تأیید شده است.
