电弧增材短柱钢管结构件实验装置及性能评估方法

本发明属于结构工程和增材制造，尤其涉及一种电弧增材短柱钢管结构件实验装置及性能评估方法。

背景技术：

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构件的制造。

2、短柱钢管结构件是一种应用广泛的结构承载构件，一般是指长细比不大于8的柱状钢管构件，主要承受轴向压力作用，对于圆管其对应高径比一般不大于4。短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杆件体系的整体承载。极限轴压承载状态下，短柱钢管结构件一般仅出现局部屈曲，并不存在整体屈曲失稳的情况；不同截面类型、高径比、径厚比和初始几何缺陷均会导致短柱钢管构件出现不同的局部屈曲变形模式。短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dl/t 5154等；这些规范中的设计式将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短柱钢管结构件确定，对于waam打印短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。在研究电弧增材短柱钢管结构件实验装置及性能评估方法的过程中，存在三个主要问题。首先，短柱钢管结构件的试件制备和几何测量的方法；其次，短柱钢管结构件的实验装置和性能测试的方法；第三，标准设计式的适用性和性能预测评估的方法。

4、综上所述，研究一种电弧增材短柱钢管结构件实验装置及性能评估方法，实现waam电弧增材制造不锈钢、低碳钢短柱钢管结构件的几何特性测量以及轴压下的性能测试、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、本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种电弧增材短柱钢管结构件实验装置及性能评估方法。

2、这种电弧增材短柱钢管结构件实验装置及性能评估方法，包括以下步骤：

3、s1、试件制备和几何测量：首先准备waam板件，然后分别沿与扫描方向夹角θ为0°、45°和90°方向线切割，制作三组标准试件；再通过沉积金属丝材制作短柱钢管结构件，并进行三维扫描和几何测量，并计算局部几何缺陷；

4、s2、实验装置和测试方法；通过拉伸实验获得标准试件的平均力学性能参数，通过轴压实验获得短柱钢管结构件的轴压承载性能的测试值；采用应变片和位移计联合法或非接触三维数字图像法进行位移和应变测量，得到荷载-段缩量变化曲线；

5、s3、标准设计和性能评估：分析短柱钢管结构件抗压极限荷载、局部长细比和相对平均局部几何缺陷的相关性，评估几何尺寸和局部缺陷的影响；将标准试件的平均力学性能参数代入现有的多种标准中进行计算，得到极限承载力的标准设计值，并和短柱钢管结构件轴压承载性能的试件测试值进行对比，评估现有标准的计算预测能力。

6、作为优选，步骤s1中，制作短柱钢管结构件时，每层沿环向为扫描方向，相邻层沿轴向为沉积方向。

7、作为优选，步骤s1中，三维扫描和几何测量的流程为，采用非接触式三维激光扫描仪进行几何表面测量，通过间隔取样获得的一系列截面轮廓确定短柱钢管结构件的几何参数；通过直接三维扫描短柱钢管结构件构件的外、内壁表面轮廓来获得几何模型；沿纵向提取短柱钢管结构件几何模型的截面轮廓，测量横截面尺寸。

8、作为优选，步骤s1中，计算几何缺陷时，短柱钢管结构件的局部几何缺陷定义为其实际几何参数与理想几何参数的偏差；在每个轮廓截面上沿环向等间距取n个点，测量每个短柱钢管结构件外、内壁的中心面上对应点的纵向线上测点坐标；计算纵向线上各测点与拟合直线的偏差得到局部几何缺陷变化曲线，采用各条纵向线上测点最大偏差的平均值来表征局部几何缺陷的程度。

9、作为优选，步骤s2中，采用液压试验机对短柱钢管结构件进行轴压性能试验，液压试验机的下端板为固定约束，上端压板连接有自锁球铰；加载前将短柱钢管结构件两端打磨平整后加装约束环，采用位移控制模式进行单调加载，直至试件破坏；实验过程中利用应变片和位移计联合法或非接触式的三维数字图像相关法获得变形数据。

10、作为优选，步骤s2中，选用应变片和位移计联合法获得变形数据时，在短柱钢管结构件环向上设置数个应变片，利用位移计测得构件上下端板的轴向线位移，并以这两个线位移的差值确定短柱钢管结构件的端缩量；在应变0～2000με范围内采用应变片所测结果进行替换；应变在0～2000με范围内时，应变片测得的中部应变为整个短柱钢管结构件高度的平均轴向应变，短柱钢管结构件端缩量是中部环向数个应变片应变数据的平均值。

11、作为优选，步骤s2中，选用非接触式的三维数字图像相关法进行监测，获得变形数据时，采用非接触式应变测量仪实时监测并记录变形数据，从而提取短柱钢管结构件两端约束环之间的垂直变形，进而得到短柱钢管结构件的端缩量。

12、作为优选，步骤s3中，计算短柱钢管结构件的归一化抗压极限荷载nu/(aσ0.2)、局部长细比d/(tε2)和相对平均局部几何缺陷

13、其中a为短柱钢管结构件的平均截面积，d为短柱钢管结构件的外径，t为短柱钢管结构件的壁厚，σ0.2＝fy为屈服强度，ε为材料参数，e为弹性模量，为各纵向线上测点最大偏差的平均值；

14、分别评估nu/(aσ0.2)、d/(tε2)之间的相关性和nu/(aσ0.2)、之间的相关性。

15、作为优选，步骤s3中，定义短柱钢管结构件的轴压承载性能的试件测试值与极限承载力的标准设计值的比值为专业系数，比值的平均值为平均专业系数，通过平均专业系数、最小专业系数和专业系数的标准差来综合评估短柱钢管结构件测试值的有效性和现有标准计算预测值的准确性；短柱钢管结构的平均专业系数大于1时，则认为标准设计值进行短柱钢管结构件测试值的评估计算预测是保守和安全的。

16、上述任一所述方法所用的电弧增材短柱钢管结构件的实验装置，包括waam板件线切割得到的标准试件、沉积金属丝材制作得到的短柱钢管结构件和液压试验机；液压试验机的下端板为固定约束，上端压板连接有自锁球铰；短柱钢管结构件的两端均安装有约束环，短柱钢管结构件安装在液压试验机的上端板和下端板之间，液压试验机的上端板和下端板分别连接有位移计，液压试验机的下端板固定连接短柱钢管结构件的下端；短柱钢管结构件的中段环向上设置有数个应变片。

17、本发明的有益效果是：

18、1)本发明提供的电弧增材短柱钢管结构件实验装置及性能评估方法，采用三步设计评估的逐步推进模式，第一步解决了waam短柱钢管结构件的试件制备和几何测量方法的问题；基于三维扫描、模型后处理、截面轮廓信息提取和缺陷偏差处理的过程，实现waam短柱钢管结构件的几何测量。

19、2)本发明第二步解决了短柱钢管结构件的实验装置和性能测试方法的问题；通过液压加载短柱轴压实验装置的设计构造，结合非接触三维数字图像相关法、应变片和位移计联合法的测试方法，实现短柱钢管结构件荷载-端缩量的测试以及极限承载力测试值的获取。

20、3)本发明第三步解决了标准设计式的适用性评估和承载性能预测评估方法的问题，通过多部国内外标准设计式的适用性探讨和专业系数评估，实现waam打印短柱钢管结构件测试值的有效性评估和标准设计式预测值的准确性评估。

21、4)本发明提供的电弧增材短柱钢管结构件实验装置及性能评估预测方法，可有效实现waam电弧增材制造不锈钢、低碳钢短柱钢管结构件的几何特性测量以及轴压下的性能测试、缺陷影响、承载评估和应用设计。