Bomba la chuma lililojazwa zege lenye nguvu ya juu (High-Strength Concrete-Filled Steel Tube, HSCFST) ni kipengele cha kimuundo cha mchanganyiko ambacho kiini cha zege lenye nguvu ya juu hubeba mzigo pamoja na bomba la chuma linalokizunguka. Bomba la chuma hulizuia zege kwa mzunguko, huku kiini cha zege kikichangia uthabiti wa ndani wa bomba la chuma; ili nyenzo hizi mbili zifanye kazi kwa pamoja, tabia ya mshikamano na utelezi katika kiolesura cha chuma–zege ni muhimu sana. Utafiti huu ulichunguza jinsi kiolesura cha HSCFST kinavyohamisha mzigo katika halijoto kati ya −60 °C na 60 °C kwa kutumia majaribio 15 ya push-out, uchanganuzi wa regression, modeli ya vipande ya mkazo wa mshikamano–utelezi na simulesheni za elementi zenye ukomo za ABAQUS.

Katika programu ya majaribio, sampuli 15 za mviringo za HSCFST zenye kipenyo cha nje cha 140 mm zilitumika. Unene wa ukuta wa bomba la chuma ulikuwa 2, 3 na 4 mm; halijoto lengwa za mazingira zilikuwa 60, 20, 0, −20 na −60 °C. Urefu wa mshikamano wa kiolesura uliwekwa kuwa 420 mm, na mfululizo wenye unene wa ukuta wa 3 mm ulitumika kama kundi la msingi la kulinganisha.

Majaribio yalionyesha kuwa nguvu ya jumla ya mshikamano wa kiolesura iliongezeka kadiri halijoto ya mazingira ilivyopungua. Katika kundi la msingi lenye unene wa ukuta wa 3 mm, nguvu ya mshikamano ya 0,616 MPa katika 20 °C ilishuka hadi 0,587 MPa katika 60 °C; na iliongezeka hadi 1,123 MPa katika −60 °C. Thamani hizi zinawakilisha, kwa mtiririko huo, kupungua kwa %4,71 na kuongezeka kwa %82,31 ikilinganishwa na 20 °C.

Kadiri uwiano wa kipenyo/unene wa ukuta D/t wa bomba la chuma ulivyoongezeka, nguvu ya mshikamano kwa ujumla ilipungua. Ukuta mwembamba zaidi wa chuma kwa uwiano ulidhoofisha athari ya kuzuia kwa mwelekeo wa radial kwenye kiini cha zege; kwa hiyo shinikizo la kawaida kwenye kiolesura na upinzani wa jumla unaotolewa na kufungamana kimakanika na msuguano vilipungua.

Kuongezeka kwa nguvu kulikoonekana katika halijoto za chini kulihusishwa na mikazo tofauti ya kupungua kwa joto kati ya chuma na zege, kuongezeka kwa nguvu za nyenzo katika halijoto ya chini, na upinzani wa ziada ambao kuganda kwa maji kwenye vinyweleo/kiolesura kunaweza kutoa. Hata hivyo, kwa kuwa maji yaliyoganda hayakuonyeshwa moja kwa moja wakati wa jaribio na kiwango cha awali cha unyevu hakikupimwa, utaratibu wa ziada wa mshikamano unaotokana na kuganda haujathibitishwa kwa uhakika.

Watafiti walitengeneza milinganyo ya empirikali kwa ultimate nguvu ya mshikamano na utelezi unaolingana nayo kutokana na data za majaribio. Mlinganyo wa ultimate nguvu ya mshikamano ulionyesha uthabiti wa kiasi katika uchanganuzi wa leave-one-out cross-validation kwa R² = 0,8761, ilhali thamani ya R² ya mlinganyo wa utelezi bainifu ilikuwa −0,5037. Kwa hiyo, uhusiano wa utelezi unapaswa kutathminiwa si kama modeli sahihi ya utabiri wa sampuli moja bali kama uhusiano wa takriban unaoelezea mwelekeo wa jumla.

Tabia ya mshikamano–utelezi iligawanywa katika hatua bainifu za OA, AB/AC na BC, na uhusiano wa constitutive wa vipande ulitengenezwa kwa aina tatu tofauti za mikunjo. Uhusiano huu ulihamishiwa kwenye elementi za nonlinear connector zilizosambazwa ndani ya ABAQUS/Standard 2024. Ikilinganishwa na majaribio ya utafiti huu yenyewe, modeli ilionyesha mkengeuko wa %1,66 katika mzigo wa kilele wa wastani; hata hivyo, ulinganisho huu si uthibitishaji huru kwa sababu vigezo vya modeli vilitokana na data zilezile za majaribio.

Modeli ya elementi zenye ukomo haikusimulia mchakato halisi wa kupashwa joto au kupozwa kwa namna ya transient thermo-mechanical. Kila halijoto ilimodeliwa kama hali huru ya kimakanika ya izothemali iliyokuwa imewekewa hali hiyo ya halijoto mapema. Kwa hiyo, ingawa utafiti unatoa mfumo thabiti wa majaribio na kihesabu kwa tabia ya push-out katika hali za halijoto kali, uthibitishaji wa ziada unahitajika kwa gradients za halijoto, mizunguko ya joto na tabia ya huduma ya muda mrefu katika miundo halisi.

Kwa nini tatizo la utafiti ni muhimu?

Katika mfumo wa bomba la chuma lililojazwa zege, chuma na zege si nyenzo mbili zinazokaa tu kando ya kila mmoja. Bomba la chuma hulizuia kiini cha zege kwa mzunguko; zege nalo linaweza kuzuia deformation ya ndani ya bomba la chuma kuelekea ndani. Lakini ili athari hii ya mchanganyiko itokee, mzigo wa axial lazima uhamishwe kutoka nyenzo moja kwenda nyingine kupitia kiolesura.

Uhamishaji huu hutegemea taratibu kama mshikamano wa kikemia, kufungamana kimakanika kunakotokana na ukwaru wa uso na msuguano unaoanza kufanya kazi baada ya mshikamano kuharibika. Kutokea kwa utelezi mkubwa kwenye kiolesura kunamaanisha kuwa kiini cha zege na bomba la chuma havioneshi tena deformation inayolingana kikamilifu.

Halijoto kali hufanya mfumo huu kuwa changamano zaidi. Sifa za upanuzi/kupungua kwa joto za chuma na zege si sawa. Maji huru katika vinyweleo vya zege yanaweza kuganda katika halijoto ya chini; moduli za elastiki na nguvu za chuma na zege zinaweza kubadilika kulingana na halijoto. Kwa hiyo, modeli ya mshikamano–utelezi iliyotengenezwa katika halijoto ya kawaida haiwezi kuhamishwa moja kwa moja kwa hali kama −60 °C.

Pengo katika fasihi

Hapo awali, majaribio na modeli nyingi kuhusu mshikamano wa kiolesura katika mifumo ya CFST yenye nguvu ya kawaida zilitengenezwa katika halijoto ya kawaida, moto na halijoto ya chini. Hata hivyo, zege lenye nguvu ya juu linaweza kuwa na tabia tofauti na zege la kawaida kwa sababu ya uwiano mdogo wa maji/saruji, muundo tofauti wa vinyweleo, nguvu ya juu zaidi ya mgandamizo na ubrittle mkubwa zaidi.

Utafiti wa chanzo unalenga mapengo matatu: kupima kama mielekeo ya CFST inayotegemea halijoto inatumika pia kwa HSCFST; kumodeli si ultimate nguvu ya mshikamano pekee bali mkunjo mzima wa mshikamano–utelezi; na kutumia moja kwa moja uhusiano wa constitutive wa vipande uliotengenezwa katika modeli ya elementi zenye ukomo.

Halijoto Kali Huathirije Nguvu ya Mshikamano wa Kiolesura cha HSCFST?

Katika masafa yaliyochunguzwa ya −60 °C hadi 60 °C, nguvu ya mshikamano wa kiolesura cha HSCFST kwa ujumla ilipungua kadiri halijoto ilivyoongezeka; katika kundi la msingi lenye unene wa ukuta wa 3 mm, ikilinganishwa na 20 °C, kupungua kwa %4,71 kulipimwa katika 60 °C na kuongezeka kwa %82,31 katika −60 °C, lakini utaratibu wa kuganda uliopendekezwa kwa sehemu ya ongezeko la halijoto ya chini haukuthibitishwa moja kwa moja.

Nguvu ya zege kulingana na halijoto

Nguvu za mgandamizo za sampuli za mchemraba zilizotayarishwa kutoka mchanganyiko uleule wa zege zilipimwa kulingana na halijoto kama ifuatavyo:

Ingawa nguvu ya juu zaidi ya mgandamizo ilipatikana katika halijoto ya chini, mofolojia ya kuvunjika ya sampuli za −60 °C ilikuwa brittle zaidi na iliyogawanyika. Hivyo “nguvu ya juu zaidi” haimaanishi tabia yenye ductility zaidi.

Sifa za chuma pia hubadilika kulingana na halijoto

Mabomba ya chuma yalitengenezwa kwa chuma cha kaboni ya chini Q235. Chanzo kinaonyesha kuwa nguvu ya yield na tensile iliongezeka kadiri halijoto ilivyopungua, huku elongation ikipungua kwa ujumla.

Kwa mfano, kwa chuma cha 3 mm, nguvu ya yield ilikuwa 308,32 MPa katika 60 °C, 320,31 MPa katika 20 °C na 396,43 MPa katika −60 °C. Katika kundi lilelile la sampuli, elongation wakati wa kuvunjika ilipungua kutoka %29,27 katika 60 °C hadi %19,81 katika −60 °C.

Kwa hiyo, mabadiliko katika kiolesura cha HSCFST chini ya halijoto ya chini hayawezi kuelezwa kwa kuganda kwa maji ya zege pekee; sifa za kimakanika zinazotegemea halijoto za chuma na zege zote hubadilika.

Uhusiano wa halijoto–nguvu ya mshikamano wa kundi la msingi

Jedwali linaonyesha wazi kwamba, ingawa nguvu ya mshikamano hubadilika kwa utaratibu kiasi kulingana na halijoto, utelezi bainifu S_u hauonyeshi uhusiano wa halijoto wa kimfuatano. Hali hii pia inaendana na utendaji dhaifu wa LOOCV wa regression ya utelezi unaojadiliwa baadaye.

Je, Kuongezeka kwa Mshikamano katika Halijoto ya Chini Kunatokana na Kuganda?

Chanzo kinapendekeza kuwa kuganda kwa maji katika vinyweleo vya zege au kwenye kiolesura cha chuma–zege kunaweza kuchangia kufungamana kimakanika na upinzani wa ziada wa kiolesura; hata hivyo, kwa kuwa kutokea kwa barafu hakukuonyeshwa moja kwa moja wakati wa jaribio na kiwango cha awali cha unyevu hakikupimwa, kuganda si sababu pekee iliyothibitishwa ya kuongezeka kwa mshikamano.

Ushahidi uliotazamwa

Baada ya majaribio ya push-out, sampuli za halijoto ya chini zilipokatwa, unyevu ulionekana katika kiolesura kati ya bomba la chuma na zege. Watafiti walitafsiri unyevu huu kama uchunguzi unaolingana na kuyeyuka baada ya jaribio kwa maji yaliyokuwa yameganda wakati wa jaribio.

Wakati huohuo, kusambaratika kwa zege katika ncha zilizopakiwa za sampuli za halijoto ya chini kulionekana wazi zaidi na mizigo mikubwa zaidi ilibebwa.

Ushahidi wa moja kwa moja ambao haupo

Utafiti haukuonyesha kiolesura katika hali ya sub-zero. Kiasi cha awali cha maji/unyevu pia hakikupimwa kwa njia ya kiasi. Kwa hiyo mahali, kiasi na mchango tofauti wa barafu katika nguvu ya mshikamano hauwezi kuhesabiwa.

Kwa sababu hiyo, katika maelezo ya Verianla kauli “barafu huenda iliunda upinzani wa ziada” inafaa; kauli “nguvu ya mshikamano iliongezeka kwa %82,31 kwa sababu ya barafu” haiungwi mkono na chanzo.

Kwa Nini Uwiano wa Kipenyo/Unene wa Ukuta D/t Hupunguza Nguvu ya Mshikamano?

D/t inapoongezeka, bomba la chuma huwa jembamba zaidi kwa kipenyo kilekile, hivyo ugumu wa radial na uzuiaji wa mzunguko kwenye kiini cha zege hupungua; matokeo yake, nguvu ya mguso wa kawaida katika kiolesura na upinzani wa mshikamano unaotolewa na kufungamana kimakanika na msuguano hupungua.

Thamani za D/t

Kipenyo cha nje cha sampuli zote za majaribio ni 140 mm. Kwa hiyo:

Katika 60 °C, nguvu ya mshikamano ni 0,845 MPa kwa D/t = 35, 0,587 MPa kwa D/t = 46,67 na 0,564 MPa kwa D/t = 70.

Katika −60 °C, thamani zinazolingana ni 1,446, 1,123 na 1,008 MPa.

Mwelekeo huu ulionekana kwa ujumla katika halijoto zote zilizochunguzwa.

Kwa nini vifungu vya daraja la pili vya D/t si “sheria ya fizikia”?

Chanzo kilitosheleza mkunjo wa daraja la pili kwenye pointi tatu za D/t kwa kila halijoto. Hata hivyo, kwa sababu kulikuwa na viwango vitatu tu vya D/t, watafiti walifafanua milinganyo hii mahsusi kama uhusiano wa interpolation na wakaeleza kuwa si sheria ya jumla ya kifunksia iliyothibitishwa.

Kwa hiyo, milinganyo haiwezi kutolewa kwa uhakika kwenda mbali sana nje ya masafa ya 35–70 yaliyopimwa.

Hesabu ya mkazo wa wastani wa mshikamano

Kwa kuwa mkazo wote wa ndani wa mshikamano katika kiolesura haukuweza kupimwa moja kwa moja katika jaribio, mkazo wa ekivalenti wa wastani wa ultimate mshikamano ulitumika:

\[ \tau_u=\frac{P_u}{\pi D_0 l} \tag{1} \]

Hapa \(\tau_u\) ni ultimate nguvu ya ekivalenti ya wastani ya mshikamano kwenye kiolesura cha chuma–zege na huonyeshwa kwa MPa. \(P_u\) ni mzigo bainifu wa uharibifu wa mshikamano; \(D_0\) ni kipenyo cha ndani cha bomba la chuma, na \(l\) ni urefu wa mshikamano wa chuma–zege.

\(\pi D_0l\) katika sehemu ya chini ya mlinganyo huwakilisha eneo la kawaida la mshikamano la kiolesura cha silinda. Kwa hiyo, kwa mzigo uleule, eneo kubwa zaidi la kiolesura linalingana na mkazo wa wastani wa chini zaidi.

Kiasi hiki hakimaanishi kwamba mkazo wa ndani wa kiolesura ni sawa kabisa katika kila sehemu; ni wastani wa ekivalenti unaotumiwa kulinganisha upinzani wa mshikamano wa jumla katika jaribio.

Aina tatu za tabia za mikunjo ya push-out

Chanzo kinagawanya mikunjo ya mkazo wa mshikamano–utelezi katika aina tatu. Type I ni mkunjo usioonyesha kilele wazi na unaoendelea kwa mteremko mdogo baada ya pointi ya kwanza bainifu ya kubadilika. Type II huonyesha kilele wazi na kisha upinzani unaopungua. Type III pia ina kilele wazi, lakini mageuzi ya msuguano baada yake huendelea kwa namna tofauti.

Ingawa mikunjo hii inaonekana tofauti, watafiti wanaelezea uhamishaji wa mshikamano kwa hatua za pamoja za kifizikia.

Hatua ya OA: mshikamano na kufungamana kwa awali

Wakati wa upakiaji wa kwanza, utelezi wa jamaa kati ya chuma na zege ni mdogo sana. Mshikamano wa kikemia ni mojawapo ya vyanzo vikuu vya upinzani; maji yaliyoganda kwenye kiolesura katika halijoto ya chini yanaweza kuwa na mchango wa ziada.

Kadiri mzigo unavyoongezeka, mshikamano wa kikemia huanza kuharibika kutoka maeneo ya ncha na umuhimu wa jamaa wa kufungamana kimakanika huongezeka.

Hatua ya AB / AC: utelezi ulioenea

Kadiri utelezi unavyoenea kwenye kiolesura, mchango wa mshikamano wa kikemia hupungua. Kufungamana kimakanika na msuguano tuli huwa muhimu zaidi katika uhamishaji wa mzigo.

Kulingana na aina ya mkunjo, kilele cha pili, plateau au tawi linaloshuka linaweza kutokea katika hatua hii.

Hatua ya BC: msuguano wa mabaki

Baada ya mshikamano wa kikemia na kufungamana kimakanika kupotea kwa kiasi kikubwa, msuguano wa kinetiki huwa sehemu kuu ya upinzani wa kiolesura. Kadiri utelezi unavyoendelea kuongezeka, mteremko wa mkunjo hupungua.

Tawi la kupanda lililonormalishwa

Tawi la kupanda la modeli ya vipande limetolewa katika chanzo kwa namna ifuatayo isiyo na vipimo:

\[ \frac{\tau}{\tau_u} = \left(\frac{S}{S_u}\right)^\beta \tag{22} \]

Hapa \(S/S_u\) ni utelezi ulionormalishwa, \(\tau/\tau_u\) ni mkazo wa mshikamano ulionormalishwa na \(\beta\) ni kigezo kisicho na vipimo kinachodhibiti umbo la tawi la kupanda.

Katika sampuli 15, \(\beta\) ilibadilika kati ya 0,890 na 1,528, na wastani wa hesabu ulikuwa 1,172. Kwa kuwa chanzo hakikuweza kubaini uhusiano wa kimfumo wa \(\beta\) na D/t au halijoto, kilitumia \(\beta=1,172\) katika modeli iliyorahisishwa.

Wakati \(S/S_u=0,50\), kwa \(\beta=0,890\), 1,172 na 1,528, mikazo ya mshikamano iliyonormalishwa ni 0,540, 0,444 na 0,347 kwa mtiririko huo. Wakati \(S/S_u=0,90\), thamani hukaribia 0,910, 0,884 na 0,851. Mikunjo yote hukutana kwenye pointi \(S/S_u=1\), katika \(\tau/\tau_u=1\).

Kwa hiyo, \(\beta\) haibadilishi nguvu ya kilele au utelezi wa kilele; inadhibiti zaidi ugumu kabla ya kilele na umbo la mkunjo.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Jiometri ya sampuli

Nafasi za kupimia utelezi

Kwenye mabomba ya chuma, nafasi za longitudinal zenye vipimo vya 10 × 40 mm zilifunguliwa katika viwango vitatu tofauti vya urefu na vipande vya chuma vya 200 × 8 × 2 mm vilipitishwa humo. Mfumo huu uliwezesha utelezi wa jamaa katika sehemu tofauti za kiolesura kufuatiliwa kwa vipima-uondokaji.

Uwiano wa nafasi hizi kwa eneo la jumla la kiolesura ulikuwa takriban %0,67–0,69. Hakuna buckling ya ndani iliyoonekana wazi karibu nazo wakati wa jaribio; hata hivyo, nafasi zinaweza kupunguza ugumu wa mzunguko kwa eneo fulani na vipande vya chuma vinaweza kuunda mwingiliano wa ziada wa kimakanika na zege.

Kwa kuwa chanzo hakikuwa na sampuli ya udhibiti isiyo na nafasi, ukubwa wa athari hii haukuweza kutenganishwa.

Ukomavu na uwekaji wa hali ya halijoto

Sampuli zote za push-out na mchemraba wa zege wa marejeo zilimwagwa kutoka mchanganyiko uleule wa zege na zikatibiwa kwa kiwango cha kawaida kwa siku 28 katika 20 ± 2 °C na unyevu wa jamaa wa angalau %95.

Kabla ya majaribio ya halijoto ya chini, sampuli ziliwekwa kwa saa 48 katika kabati la halijoto ya chini sana; wakati wa jaribio, halijoto ya mazingira ilidumishwa kwa kutumia nitrojeni ya kioevu.

Katika hali ya 60 °C, mikanda ya kupasha joto ya umeme ilitumika. Sensorer za PT100 zilizopachikwa ndani ya kiini cha zege zilifuatilia halijoto ya ndani kwa kuendelea. Halijoto lengwa ilidumishwa ndani ya ±2 °C katika kipindi chote cha jaribio.

Itifaki ya upakiaji

Majaribio ya push-out yalifanywa kwenye mashine ya majaribio ya universal ya kielektroniki inayodhibitiwa na kompyuta yenye uwezo wa 500 kN.

Katika hatua ya kwanza udhibiti wa mzigo ulitumika; kila hatua ya mzigo iliwekwa kuwa %5 ya ultimate mzigo uliokadiriwa na ikashikiliwa kwa dakika 1–2. Wakati utelezi wa nonlinear ulipoanza au ultimate mzigo ulipofikia takriban %70, upakiaji unaodhibitiwa kwa uondokaji ulianza kutumika.

Utelezi wa juu wa jamaa ulifuatiliwa hadi 30 mm.

Matokeo makuu ya push-out ya sampuli 15

Mahusiano ya majaribio ya mstari yanayotegemea halijoto

Kwa kila unene wa ukuta, chanzo kimetoa regression zifuatazo kati ya halijoto na ultimate nguvu ya mshikamano katika masafa ya majaribio:

\[ \tau_u=-0.0039T+0.7196 \qquad (t=2\text{ mm}) \tag{2} \]

\[ \tau_u=-0.0045T+0.7738 \qquad (t=3\text{ mm}) \tag{3} \]

\[ \tau_u=-0.0048T+1.0796 \qquad (t=4\text{ mm}) \tag{4} \]

Katika vifungu hivi, \(T\) ni °C na \(\tau_u\) ni MPa. Koeffishienti hasi za halijoto zinaendana na kupungua kwa nguvu ya mshikamano kadiri halijoto inavyoongezeka katika makundi husika ya majaribio.

Milinganyo ya Ultimate Nguvu ya Mshikamano na Utelezi Bainifu Inaaminika kwa Kiwango Gani?

Equation (10) iliyotengenezwa kwa ultimate nguvu ya mshikamano ilitoa matokeo thabiti kiasi katika uchanganuzi wa leave-one-out cross-validation kwa R² = 0,8761; kwa upande mwingine, kwa kuwa R² ya Equation (11) ya utelezi bainifu ni −0,5037, mlinganyo huu wa pili unapaswa kutumiwa si kama modeli sahihi ya utabiri bali kama uhusiano wa empirikali wa takriban unaoelezea mwelekeo wa jumla.

Mlinganyo wa ultimate nguvu ya mshikamano wenye vigezo vingi

Chanzo Equation (10):

\[ \tau_u= k\frac{1}{\gamma} \left[ 0.003T +0.022f_{cu} +0.0007\left(\frac{D}{t}\right)^2 -0.082\left(\frac{D}{t}\right) +1.152 \right] \tag{10} \]

Hapa \(\tau_u\) ni ultimate nguvu ya mshikamano wa kiolesura (MPa); \(T\) ni halijoto ya mazingira (°C); \(f_{cu}\) ni nguvu ya mgandamizo ya mchemraba wa zege lenye nguvu ya juu (MPa); \(D/t\) ni uwiano usio na vipimo wa kipenyo/unene wa ukuta.

\(\gamma=1.055\) ni koeffishienti ya marekebisho. \(k\) inawakilisha hali ya uso wa ndani wa bomba la chuma: kulingana na utafiti wa awali uliotumika kama marejeo, 1,3 kwa uso wenye kutu; 1,0 kwa uso mkwaruzo uliosafishwa kwa mkono; na 0,7 kwa uso laini zaidi uliosafishwa kimakanika. Katika utafiti huu \(k=1,0\) ilitumika.

Huu ni mlinganyo wa regression wa empirikali; koeffishienti zake si constants za kimwili za ulimwengu zenye vipimo na hazipaswi kujumlishwa moja kwa moja nje ya masharti ya utafiti wa chanzo.

Mlinganyo wa utelezi bainifu

Chanzo Equation (11):

\[ S_u= k\frac{1}{\lambda} \left[ -0.079T -0.237f_{cu} -0.015\left(\frac{D}{t}\right) +25.525 \right] \tag{11} \]

Hapa \(S_u\) ni utelezi bainifu unaolingana na ultimate nguvu ya mshikamano (mm), na \(\lambda=0.997\).

Katika chanzo, pamoja na thamani za majaribio, ulinganifu wa jumla wa milinganyo miwili umeripotiwa kuwa R² = 0,948; thamani za wastani za makosa kwa milinganyo ya nguvu ya mshikamano na utelezi zimetolewa kuwa takriban %7,33 na %10,33 mtawalia. Hata hivyo, ulinganifu huu wa calibration peke yake hauonyeshi utendaji wa modeli kwenye data ambayo haijaonekana.

Kwa nini LOOCV inatoa onyo muhimu zaidi?

Katika mchakato wa leave-one-out cross-validation, kila mara sampuli moja kati ya 15 iliachwa nje, mlinganyo ukaundwa upya kwa sampuli 14 zilizobaki na sampuli iliyoachwa nje ikatabiriwa.

Uhusiano wenye mpangilio zaidi wa ultimate nguvu ya mshikamano na halijoto, nguvu ya zege na D/t husaidia Equation (10) kujumlisha vizuri zaidi.

S_u, kwa upande mwingine, huathiriwa zaidi na hali za ndani za kiolesura, maendeleo ya nyufa, uvumilivu wa utengenezaji na mageuzi ya uharibifu. LOOCV R² hasi ina maana kuwa Equation (11) inaweza kufanya vibaya zaidi hata kuliko utabiri rahisi wa wastani kwa sampuli zilizoachwa nje.

Modeli ya constitutive ya hatua tatu ya utafiti

Mikunjo ya majaribio iligawanywa katika hatua za OA, AB/AC na BC. Chanzo Equation (15) kinaunganisha hatua hizi kwa matawi tofauti ya kihisabati kwa tabia za Type I, II na III.

Tawi la kupanda la OA linawakilishwa na sheria ya nguvu katika Equation (22). Katika matawi ya baadaye, mahusiano ya mstari/rational hutumika kuunganisha kilele, tawi linaloshuka na maeneo ya msuguano wa mabaki.

Katika chanzo, koeffishienti \(a\), \(b\), \(c\), \(d\), \(c'\) na \(d'\) zilipatikana kwa regression kutoka pointi bainifu za majaribio. Lengo la modeli si kulazimisha mkunjo mmoja bora kwa sampuli zote, bali kuwakilisha maumbo matatu makuu ya mikunjo yaliyoonekana katika majaribio ndani ya muundo mmoja wa vipande.

Mesh ya elementi zenye ukomo

Katika modeli ya ABAQUS/Standard 2024, bomba la chuma lilimodeliwa kwa elementi za S4R zenye nodi nne za reduced-integration shell; kiini cha zege kwa elementi za C3D8R zenye nodi nane za reduced-integration solid.

Kwa kuwa kigezo cha kukubali cha %5 kilitumika, mesh ya 10 × 10 × 10 mm ilichaguliwa kama uwiano kati ya gharama ya hesabu na usahihi.

Vigezo vya damaged plasticity vya zege

Kwa zege, modeli ya ABAQUS concrete plastic damage ilitumika. Chanzo kinatoa pembe ya dilatation 35°, eccentricity 0,1, uwiano wa nguvu ya mgandamizo ya biaxial/uniaxial \(f_{b0}/f_{c0}=1.1667\), na parameter ya viscosity 0,005.

Koeffishienti za nyenzo zinazotegemea halijoto

Koeffishienti ya kupunguza/kuongeza halijoto kwa nguvu ya yield ya chuma:

\[ k_y(T)= 1-0.001504(T-20) +1.832\times10^{-5}(T-20)^2 \tag{30} \]

Kwa nguvu ya mgandamizo ya axial ya zege:

\[ k_c(T)= 1-0.00479(T-20) +7.42\times10^{-6}(T-20)^2 \tag{31} \]

Kisha:

\[ f_{yT}=f_{y20}k_y(T) \tag{32} \]

\[ f_{cT}=f_{c20}k_c(T) \tag{33} \]

Mahusiano haya ni modeli zilizotokana tu na data za halijoto na nyenzo zilizotumika katika utafiti.

Umodelishaji wa kiolesura cha chuma–zege katika FEA

Elementi za nonlinear connector ziliundwa moja kwa moja kwenye kiolesura na jumla ya connector 1806 ziliundwa kiotomatiki kwa modeli ya marejeo kwa kutumia skripti ya Python 3.10.

Elementi za Connector zilisambazwa kwa usawa na kwa ulinganifu katika eneo lililounganishwa. Mkunjo wa nguvu–uondokaji kwa kila connector ulitokana na kugawanya nguvu ya jumla ya mshikamano kwa idadi ya connector.

Kwa kuwa utelezi katika mwelekeo wa kawaida ulikuwa mdogo sana kuliko utelezi wa tangential, hard contact ilitumika kwa mguso wa kawaida.

Katika ncha ya upakiaji, uondokaji wa U3 = 30 mm ulitumika; U1, U2 na mizunguko yote iliwekwa sifuri. Pointi ya marejeo ya chini ilifungwa kabisa.

Je, Modeli ya Elementi Zenye Ukomo Inasimulia Mchakato Halisi wa Kupashwa Joto na Kupozwa?

Hapana. Modeli ya ABAQUS haisuluhishi uwanja wa halijoto unaobadilika kwa muda wala mikazo ya joto inayotokana na chuma na zege wakati wa kupashwa joto/kupozwa; badala yake, kila halijoto lengwa huchukuliwa kama hali tofauti ya kimakanika ya izothemali na upakiaji wa push-out husimuliwa kwa kutumia sifa za nyenzo na kiolesura zilizopimwa katika halijoto hiyo.

Kwa nini kikomo hiki ni muhimu?

Daraja au nguzo halisi inaweza kuendeleza gradient ya halijoto katika sehemu yake wakati wa mabadiliko ya mchana–usiku, msimu au kupoa ghafla. Kwa sababu ya upitishaji mkubwa wa joto wa chuma, haitarajiwi kwamba bomba la nje na kiini cha zege vitafikia halijoto ileile kwa wakati mmoja.

Katika jaribio la chanzo, sampuli ziliwekewa hali ya halijoto lengwa na zilijaribiwa baada ya halijoto ya ndani kutulia. Modeli ya elementi zenye ukomo pia inaiga hasa hali hii ya majaribio.

Kwa hiyo, modeli hii si modeli ya uchovu wa mizunguko ya joto, kupoa kwa haraka, gradient ya halijoto ya ndani ya siku au uharibifu wa transient thermo-mechanical.

Tofauti kati ya calibration na uthibitishaji huru

Ulinganisho wa FEA na sampuli zake 15 unaonyesha ulinganifu mkubwa; lakini kwa kuwa vigezo vya mshikamano–utelezi vilitengenezwa kutokana na seti ileile ya data, mchakato huu si validatsiya huru bali ni ukaguzi wa kama modeli inaweza kuzaa tena data zake za calibration kwa uthabiti.

Kwa jaribio huru zaidi, sampuli zilizochapishwa hapo awali na Yan na wenzake zilitumika.

Hata hivyo, hali ya −80 °C ya sampuli C4 na baadhi ya sifa kama zege C45 ziko nje ya nafasi ya calibration ya modeli ya −60 hadi 60 °C na takriban 69,5–108,6 MPa ya nguvu ya mchemraba. Kwa hiyo chanzo kinauita ulinganisho huu “external extrapolative assessment”.

Maana ya kontua za mkazo za FEA

Sehemu za von Mises zilizoonyeshwa katika Figure 28–30 zinaonyesha usambazaji wa mkazo wa kimakanika katika bomba la chuma na kiini cha zege. Katika chuma, mkazo wa longitudinal huongezeka kutoka ncha ya upakiaji kuelekea ncha huru, huku katika kiini cha zege ukipungua kutoka ncha ya upakiaji kuelekea ncha huru.

Katika sehemu tupu ya bomba la chuma kwenye ncha huru, mkusanyiko wa mkazo wa ndani ulitokea; katika ncha iliyopakiwa ya zege, mkusanyiko mwingine wa mkazo ulitokea.

Kontua hizi si ramani ya moja kwa moja ya connector bond stress. Chanzo kinasisitiza kwamba hazipaswi kutumika kama validatsiya ya kiasi ya mkazo wa ndani wa mshikamano usio sare katika kiolesura halisi.

Jukumu la kisayansi la vielelezo vya chanzo

Matokeo yanayoungwa mkono na utafiti

Katika hali zilizochunguzwa kati ya −60 na 60 °C, nguvu ya mshikamano wa kiolesura cha HSCFST kwa ujumla hupungua kadiri halijoto inavyoongezeka.

Katika kundi lenye unene wa ukuta wa 3 mm, nguvu ya mshikamano katika −60 °C ni %82,31 juu kuliko katika 20 °C.

Kadiri uwiano wa D/t unavyoongezeka, nguvu ya mshikamano kwa ujumla hupungua ndani ya masafa ya majaribio yaliyochunguzwa.

Tabia ya mshikamano–utelezi inaonyesha tabia ya hatua nyingi inayoweza kuelezwa kwa hatua za mshikamano wa kikemia, kufungamana kimakanika na msuguano.

Mlinganyo wa empirikali uliotengenezwa kwa ultimate nguvu ya mshikamano unatoa matokeo thabiti kiasi katika LOOCV.

Uhusiano wa mshikamano–utelezi wa vipande unaweza kuwakilisha umbo kuu la mikunjo ya majaribio.

Mbinu ya distributed nonlinear connector ilizalisha kwa karibu tabia ya jumla ya mzigo–utelezi wa push-out chini ya masharti ya majaribio ya utafiti.

Matokeo yasiyoungwa mkono na utafiti

Haijathibitishwa kwamba ongezeko lote la nguvu ya mshikamano lilitokana na kutokea kwa barafu.

Matokeo ya −60 °C hayawezi kujumlishwa kiotomatiki kwa jiometri zote za HSCFST au madaraja yote ya zege.

Equation (11) si modeli inayoweza kujumlishwa inayotabiri utelezi bainifu kwa usahihi mkubwa.

Ulinganifu wa FEA na sampuli zake 15 si validatsiya huru.

Modeli haisuluhishi upakiaji wa joto unaobadilika kwa muda wala mikazo ya joto.

Figure 28–30 si ramani halisi ya mkazo wa ndani wa mshikamano wa kiolesura.

Modeli haijumuishi kasoro za awali za jiometri zinazotokana na utengenezaji.

Utafiti haukuchunguza mizunguko ya halijoto, kuganda–kuyeyuka kwa muda mrefu au utendaji wa maisha ya huduma katika mazingira halisi.

Vikwazo vikuu

Rudio moja: Kuna sampuli moja tu ya push-out kwa kila mchanganyiko wa halijoto–unene wa ukuta.

Mchanganyiko wa athari za halijoto–nguvu ya zege: Kwa kuwa nguvu ya zege hubadilika pamoja na halijoto, athari hizi mbili haziwezi kutenganishwa kikamilifu katika muundo wa majaribio.

Hakuna kipimo cha unyevu: Kiwango cha unyevu wa zege kabla ya uwekaji wa hali ya joto hakikuamuliwa moja kwa moja.

Barafu haikuonekana moja kwa moja: Utaratibu wa maji ya kiolesura yaliyoganda kutoa upinzani wa ziada unatokana na uchunguzi wa post-test.

Nafasi za kupimia: Hakuna sampuli ya udhibiti isiyo na nafasi ili kubaini athari ya nafasi zilizofunguliwa kwa kipimo cha utelezi.

Halijoto uniform: Majaribio yalifanyika katika halijoto lengwa takriban thabiti na uniform; gradients na mizunguko ya joto katika muundo halisi haikuchunguzwa.

Modeli ya kiolesura yenye usawa: Uhusiano uleule wa kawaida wa ndani ulipewa elementi za Connector; utofauti halisi wa nafasi katika kiolesura haukumodeliwa.

Kasoro za jiometri: Kasoro za utengenezaji au imperfection ya awali katika bomba la chuma haikufafanuliwa.

Vigezo vya uharibifu: Hakuna uchanganuzi wa kina wa uharibifu wa ndani uliofanywa kupitia PEEQ, DAMAGEC, DAMAGET na SDEG.

Tathmini ya nje iliyopunguzwa: Ingawa seti ya data ya Yan na wenzake ni muhimu, baadhi ya sampuli ziko nje ya nafasi ya calibration na hazitengenezi hifadhidata pana ya validatsiya huru.

Mielekeo ya utafiti wa baadaye

Chanzo kinapendekeza kutumia sampuli zinazorudiwa katika hali zilezile za halijoto na madaraja tofauti ya nguvu ya zege ili kutenganisha vizuri zaidi athari za halijoto na nguvu ya zege.

Gradients za halijoto, mizunguko ya joto, kipimo cha moja kwa moja cha kuganda kwa kiolesura kwa wakati halisi na kiwango cha awali cha unyevu vinapaswa kupimwa moja kwa moja katika tafiti zijazo.

Katika modeli ya elementi zenye ukomo, matumizi ya kasoro za jiometri zilizopimwa, mahusiano ya mshikamano–utelezi yanayotegemea mahali na vigezo vilivyokalibishwa vya mageuzi ya uharibifu wa tensile/compressive yanapendekezwa.

Uwezo halisi wa modeli kujumlishwa unapaswa kupimwa kwa hifadhidata huru za majaribio zinazofunika masafa mapana zaidi ya halijoto, jiometri na nyenzo.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Utafiti asilia: Bond Transfer Mechanisms and Slip Evolution in High-Strength Concrete-Filled Steel Tubes Under Extreme Temperatures Through Push-Out Tests and Finite Element Simulations

Waandishi: Mingyong Zhong; Yingjun Yang; Wenfeng Zhou; Xingtao Liu; Xijuan Yang; Li Wang.

Mwandishi anayewajibika: Yingjun Yang.

Taasisi: School of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University; Gansu Road & Bridge Construction Group Co., Ltd.; Gansu Wantai Construction Engineering Co., Ltd., China.

Jarida: Buildings.

Mchapishaji/platform: MDPI.

Rekodi ya bibliografia: Buildings, 2026, 16(17), Article 3557.

DOI: 10.3390/buildings16173557.

Mchakato wa uchapishaji: Imepokelewa 26 Julai 2026; marekebisho 27 Agosti 2026; imekubaliwa 27 Agosti 2026; imechapishwa 7 Septemba 2026.

Aina ya chanzo: Utafiti wa majaribio wa uhandisi wa miundo + uchanganuzi wa elementi zenye ukomo, uliopitiwa na wataalamu na kuchapishwa.

Leseni: Creative Commons Attribution (CC BY).

Sampuli za majaribio: Nguzo fupi 15 za mviringo za HSCFST.

Halijoto lengwa: 60, 20, 0, −20 na −60 °C.

Unene wa ukuta wa chuma: 2, 3 na 4 mm.

Kipenyo cha nje: 140 mm.

Urefu wa mshikamano: 420 mm.

Kifaa cha majaribio: Mashine ya majaribio ya universal ya kielektroniki inayodhibitiwa na kompyuta yenye uwezo wa 500 kN.

Uwekaji wa hali ya halijoto ya chini: Saa 48 katika kabati la halijoto ya chini sana na udhibiti wa halijoto kwa nitrojeni ya kioevu wakati wa jaribio.

Kipimo cha halijoto: Sensorer za PT100 zilizopachikwa katika kiini cha zege; thamani lengwa ilidumishwa ndani ya ±2 °C wakati wa jaribio.

Kipimo kikuu cha majaribio: Ultimate nguvu ya ekivalenti ya wastani ya mshikamano wa kiolesura \(\tau_u=P_u/(\pi D_0l)\).

Vigezo vya regression: Halijoto ya mazingira T, nguvu ya mgandamizo ya mchemraba wa zege f_cu, uwiano wa kipenyo/unene wa ukuta D/t na koeffishienti ya hali ya uso wa ndani wa chuma k.

Cross-validation: Leave-one-out cross-validation; kwa Equation (10) R² = 0,8761, kwa Equation (11) R² = −0,5037.

Modeli ya vipande: Mikunjo ya mkazo wa mshikamano–utelezi ya Type I, Type II na Type III; hatua bainifu za OA, AB/AC na BC.

β wakilishi: 1,172; katika majaribio masafa ya 0,890–1,528.

Programu ya FE: ABAQUS/Standard 2024.

Elementi ya chuma: S4R shell.

Elementi ya zege: C3D8R solid.

Mesh: 10 × 10 × 10 mm; ikilinganishwa na mesh ya marejeo ya 5 mm, mkengeuko wa P_u %1,39 na mkengeuko wa S_u %0.

Modeli ya zege: Concrete plastic damage; pembe ya dilatation 35°, eccentricity 0,1, f_b0/f_c0 = 1,1667, viscosity = 0,005.

Kiolesura: Connector 1806 za distributed nonlinear connector zilizotengenezwa kwa Python 3.10 katika modeli ya marejeo.

Sharti la mpaka wa upakiaji: U3 = 30 mm uondokaji; pointi ya marejeo ya chini imefungwa kabisa.

Kikomo cha modeli ya joto: Kupashwa joto/kupozwa kunakobadilika kwa muda na mikazo tofauti ya joto havikusimuliwa moja kwa moja; kila halijoto ni sharti tofauti la kimakanika la izothemali.

Ulinganisho wa FE na majaribio yake yenyewe: Tathmini ya uthabiti inayotegemea calibration; si validatsiya huru.

Tathmini ya nje: external extrapolative assessment kwa data huru za majaribio za Yan na wenzake; baadhi ya hali ziko nje ya masafa ya calibration ya modeli.

Matokeo makuu ya FEA: Kulingana na sehemu ya matokeo ya chanzo, mkengeuko wa wastani wa peak-load ni %1,66; mikengeuko mingine ya mizigo bainifu iko chini ya %5.

Ufadhili: Gansu Provincial Natural Science Foundation, Grant 25JRRA207.

Upatikanaji wa data: Data zilizowasilishwa katika utafiti zinapatikana ndani ya makala.

Kamati ya maadili: Haitumiki.

Ridhaa iliyoarifiwa: Haitumiki.

Mgongano wa maslahi/ajira ya kampuni: Yingjun Yang ni mfanyakazi wa Gansu Road & Bridge Construction Group Co., Ltd.; Wenfeng Zhou na Xingtao Liu ni wafanyakazi wa Gansu Wantai Construction Engineering Co., Ltd. Waandishi wengine hawakuripoti uhusiano wowote wa uwezekano wa maslahi ya kibiashara au kifedha. Kulingana na chanzo, mfadhili hakuwa na jukumu katika usanifu wa utafiti, ukusanyaji/uchanganuzi wa data, uandishi au uamuzi wa kuchapisha.

Michango ya waandishi: Uundaji wa dhana Mingyong Zhong na Yingjun Yang; mbinu Mingyong Zhong, Yingjun Yang na Wenfeng Zhou; programu Yingjun Yang; validatsiya Mingyong Zhong, Yingjun Yang na Wenfeng Zhou; uchanganuzi rasmi Mingyong Zhong na Yingjun Yang; uchunguzi Yingjun Yang na Xijuan Yang; rasilimali Xijuan Yang; uratibu wa data Yingjun Yang, Xingtao Liu na Li Wang; rasimu ya kwanza Mingyong Zhong na Yingjun Yang; mapitio Mingyong Zhong, Wenfeng Zhou, Xingtao Liu, Xijuan Yang na Li Wang; uonyeshaji Yingjun Yang na Li Wang; usimamizi Mingyong Zhong; usimamizi wa mradi Yingjun Yang.

Kikomo kikuu cha tafsiri: Upinzani wa ziada wa kiolesura unaohusishwa na kuganda katika halijoto ya chini haukupimwa moja kwa moja. Regression ya utelezi haionyeshi utendaji mzuri wa cross-validation. Modeli ya elementi zenye ukomo humodeli tabia ya kimakanika iliyowekewa hali ya halijoto badala ya mchakato wa transient thermo-mechanical na inafaa hasa kwa tabia ya jumla ya bond-transfer.

Maelezo ya hakimiliki na matumizi tena: Utafiti wa chanzo una leseni ya CC BY. Maudhui haya ya Verianla si tafsiri ya kimashine ya makala kwa Kiswahili; yameunda muundo huru wa kufundishia huku yakihifadhi data asilia za majaribio, fomula, masharti ya modeli, majukumu ya kisayansi ya vielelezo, matokeo na vikwazo. Picha za majaribio au raster za FEA hazipaswi kutengenezwa upya kwa AI generative kama picha bandia za vipimo vya kisayansi; grafu za namba na michoro ya kiufundi ya taratibu zinaweza kuchorwa upya kwa namna asilia kutokana na data za chanzo.