Structural steel plasticity experimental study and theoretical modelling

Sammanfattning: Föreliggande avhandling behandlar konstitutiv modellering av konstruktionsstål i elastoplastiskt område. Ett koncept för tvåaxlig provning i huvudspänningsplanet har utvecklats vilket sedan har använts för att generera försöksdata för att formulera en konstitutiv modell för sambandet mellan spänningar och plastiska töjningar. Utgångspunkten har varit att söka en modell som på ett bättre sätt beskriver stålets beteende än de modeller man normalt använder i finita elementmetoder idag. De modeller som normalt används idag klarar egentligen inte av att beskriva materialets beteende vid annat än monoton pålastning. Vid påföljande avlastning och förnyad pålastning i annan riktning, såsom exempelvis kallformning, har en betydande anisotropi introducerats vilket gör att man sannolikt erhåller ett dåligt resultat. Skälen till att man i många sammanhang använder dessa modeller, t.ex. isotropt eller kinematiskt hårdnande, är bl.a. att försöksdata som underlag saknas för mer avancerade modeller. Det koncept för tvåaxlig provning av plan plåt i leveranstillstånd med korsformade provkroppar som har utvecklats, kan med anbringande av stödplåtar för att förhindra buckling ut ur planet genomföra provning i hela huvudspänningsplanet. Denna utrustning har använts för att utföra omfattande provning av två olika stålsorter, en höghållfast och en av normal hållfasthet. Konceptet klarar i det aktuella utförandet töjningar upp till drygt 3%. Initiellt flytvillkor samt påföljande flytvillkor för två olika förbelastningsnivåer samt förändringen av den plastiska modulen har studerats. Vidare har även kvalitativa studier av den plastiska flytlagen gjorts. Resultaten visar att det initiella flytvillkoret faller mellan det som förutspås av von Mises och Trescas villkor. Vad påföljande flytvillkor beträffar visar resultaten att man har en påtaglig Bauschingereffekt, dvs. en reduktion av flytgränsen i riktning rakt motsatt pålastningen. Vinkelrätt pålastningsriktningen hårdnar materialen i nästan samma omfattning som i pålastnings~ riktningen. Man tydligt se att vid återpålastning så fås en gradvis övergång från elastiskt till plastiskt tillstånd även om materialet initiellt har en skarp övergång däremellan. Ett förslag till en konstitutiv modell presenteras. Modellen använder en elastisk gränsyta samt en minnesyta. Den gradvisa övergången mellan elastiskt och plastiskt tillstånd vid återpålastning beskrivs med en teori grundad på sk "fuzzy sets". Den elastiska gränsytan beskrivs med teori för distortionshårdnande vilket ger goda möjligheter att beskriva Bauschingereffekten vid generella spänningstillstånd. Modellen kräver bara två ytterligare parameter jämfört med en enkelytemodell med blandat hårdnande varför den är enkel att använda. Jämförelser mellan experimentella data och simuleringar med den föreslagna modellen visar på god överensstämmelse generellt. Jämförelser med existerande modeller visar också att betydande förbättringar av beskrivningen erhålls. Speciellt tydligt är detta för det höghållfasta stålet där det dominerande bidraget till hårdnandet kommer från Bauschingereffekten.