[发明专利]基于微观尺度的轴心受压构件的设计方法及轴心受压构件

说明书

本发明公开了一种基于微观尺度的轴心受压构件的设计方法及轴心受压构件，首先根据材料实际的种类和外界环境确定宏观颗粒体的尺寸；然后确定Morse势函数参数；接着建立微观结构模型，建立细观结构模型，建立宏观结构模型；最后获取轴心受压构件厚度的最小值；本发明对现有的材料强度计算方法进行了补充，从本质上进行分析材料变形与破坏的原因。基于这种设计方法的设计更精确，可以大大的节约成本。

技术领域

本发明属于分子动力学分析技术领域，涉及一种轴心受拉构件的设计方法及轴心受拉构件，具体涉及一种在研究材料内部细微结构组成及力的作用效果的基础上对受压钢板进行设计的方法及轴心受拉构件。

背景技术

现有的钢结构设计原理都是通过试验所得，在采用时多根据经验。没有从材料本质的微观组成和性能进行考虑，对钢结构理论中常遇到的稳定性问题、疲劳问题、低温冷脆以及焊接残余应力都没有成熟的微观本质解释,这种不考虑工作环境因素对结构设计影响是不足的，设计精度远远不足。

专利“一种基于多尺度分析的受压钢板的设计方法(ZL 2015 1 0565815.9)”虽然提出了一种模型，但是该专利中微观单元体之间的相互作用采用的是L-J势，然而L-J势主要是用来描述分子之间的相互作用力，这里用来模拟铁原子之间的相互作用并不合理。该专利中使用滚轴来实现剪切滑移，但是滚轴的位移有限，并不能对弹塑性阶段和塑性阶段进行很好的模拟。该专利中建立的微观模型在受到力的作用后就会产生塑性变形，即滚轴移动。然而，现实情况是晶体骨架在达到一定的应力状态(如屈服应力)后才会产生塑性变形，这里用滚轴来模拟塑性变形并不合适。该专利中建立的宏观模型的抗拉或抗压强度在各个方向上并不一样，然而，现实情况是大部分材料都是各向同性的。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于微观尺度的轴心受压构件的设计方法及轴心受压构件，从多层面来研究受压钢板的性能强度，在此基础上对受压钢板进行模拟分析和设计。

本发明所采用的技术方案是：一种基于微观尺度的轴心受压构件的设计方法，其特征在于：利用Morse势函数建立微观结构模型来模拟钢结构材料内部原子的相互作用；

具体实现包括以下步骤：

步骤1：根据材料实际的种类和外界环境确定宏观颗粒体的尺寸；

步骤2：确定Morse势函数参数，包括立方体颗粒的边长l(单位mm)，立方体颗粒之间的相互作用力f_ij(单位N)，两个立方体颗粒中心的距离r_ij(单位)，平衡结合长度r_o(单位)，平衡结合能ε(单位eV)，逆长度因子α(单位)，两个立方体颗粒间的弹簧达到屈服强度时之间的距离r₁(单位mm)，(单位mm)，两个立方体颗粒间的弹簧达到其抗拉强度时之间的距离r₂(单位mm)，立方体颗粒间的引力达到最大时之间的距离r_m(单位mm)，两个立方体颗粒之间的弹簧的弹性系数(单位N/mm)，两个立方体颗粒间的弹簧的屈服强度(单位N/mm)，两个立方体颗粒间的弹簧的抗拉强度(单位N/mm)，宏观颗粒体的长a(单位mm)，宏观颗粒体的宽b(单位mm)，宏观颗粒体的高c(单位mm)，钢板的长L(单位mm)，钢板的宽W(单位mm)，钢板的厚度t(单位mm)，与板面平行的荷载设计值(单位N)；

步骤3：建立微观结构模型；

所述微观结构模型由两个微观颗粒组成，颗粒之间的相互作用由滑块和弹簧来模拟；颗粒的长度为l，颗粒之间的相互作用采用Morse势，由此得颗粒之间的相互作用力为：

式中的参数η_ij、α₀是无因次量；

α₀＝αr₀； (3)