低磁性6082-T6铝合金节点板连接件采用TC4钛螺栓的旋转行为

《Structures》：Rotational behaviour of low-magnetic 6082-T6 aluminum alloy gusset joints with TC4 titanium bolts

　　摘要大型磁屏蔽室对结构性能和残余磁化强度均提出严格要求，这促使采用低磁性紧固件的铝合金网壳结构。本研究考察了采用高强度TC4钛合金（Ti–6Al–4V）螺栓连接的低磁性铝合金节点板连接的平面外转动性能。对由6082-T6铝合金构件和节点板制成的四个足尺节点试件进行了静力弯曲试验。系统研究了弯矩-转角响应、应变演变和破坏模式，特别关注螺栓配置和安装引起的扭转缺陷。由于TC4螺栓具有较高的抗剪承载力，破坏始终从紧固件转移到铝合金构件，满足了“强节点-弱构件”的设计原则。建立了考虑材料塑性和接触相互作用的精细化非线性有限元模型，并与试验结果进行了验证，在刚度和极限抗弯承载力方面表现出良好的一致性。本研究证实了TC4钛螺栓连接铝合金节点板用于低磁性铝合金网壳结构的结构可行性。引言极弱磁场和惯性量子精密传感技术的超高灵敏度测量在生物磁测量、基础物理、国家安全、深空探测和零场科学中发挥着关键作用。为支撑这些应用，能够提供超低残余磁场环境的大型“零磁”空间建设已成为前沿科学研究的关键基础设施。全球在磁屏蔽设施开发方面已取得重大进展。例如，橡树岭国家实验室（ORNL）于2011年为散裂中子源的中子自旋回波谱学建造了一个285 m3的磁屏蔽室[1]。最近，保罗·谢勒研究所（PSI）于2020年完成了一个25 m3的磁屏蔽室，用于高精度中子电偶极矩实验[2]。这些设施凸显了对具有极低磁干扰的大型结构稳定围护结构日益增长的需求。大型零磁空间的建设需要在结构规模与磁屏蔽性能之间进行审慎协调。传统钢空间框架或网壳结构由于其相对较高的残余磁化强度而通常不适用。相比之下，铝合金网壳结构具有明显优势，包括低残余磁性、低密度（约为钢材的三分之一）、良好的耐腐蚀性和良好的可制造性。因此，铝合金网壳结构——特别是采用节点板-节点板连接的形式——已在工程实践中得到广泛应用。然而，铝合金的可焊性有限，现有大多数铝合金节点板连接依赖钢或不锈钢螺栓作为紧固件。这些紧固件不可避免地引入磁干扰，破坏了零磁设施的严格磁学要求。因此，采用低磁性紧固件的铝合金网壳结构在实践中仍然罕见，大型磁屏蔽空间很少采用网壳结构体系。这一差距凸显了开发和评估适用于大型零磁应用的低磁性铝合金节点解决方案的迫切需要。铝合金节点板连接最初由美国Temcor公司开发[3]。过去二十年间，已有大量试验和数值研究对其力学性能进行了表征，特别是其弯曲和转动性能。针对铝合金节点板连接弯曲行为的系统研究[4]。通过改变节点板厚度等几何参数，这些研究确定了多种破坏模式，包括构件断裂或屈曲以及节点板拉剪破坏[5]、[6]。除纯弯曲外，铝合金节点板连接还研究了面外循环荷载[7]和低周疲劳[8]下的性能。这些研究表明，根据荷载条件和节点构型的不同，破坏模式可能转变为腹板屈曲、螺栓断裂或疲劳开裂。鉴于传统节点板连接的抗剪承载力相对较弱——因为仅使用两个连接至构件翼缘的节点板——已提出了许多改进的节点构型。这些包括构件间连接件、带中心空心棱柱的柱式节点板连接[9]、[10]、[11]、贯通式节点板连接[12]、[13]、与矩形空心截面兼容的单向螺栓构型[14]，以及模块化或齿环复合节点[15]、[16]。虽然这些方案显著提高了节点强度和刚度，但它们通常增加了制作复杂性和施工成本。重要的是，几乎所有现有研究都假定使用钢或不锈钢螺栓作为紧固件。这些设计方法对采用低磁性紧固件的铝合金节点板连接的适用性仍不清楚，特别是在转动刚度、破坏机制和半刚性行为方面。钛合金被广泛认为是具有高比强度、优异耐腐蚀性和优异热稳定性的轻质结构材料。自20世纪中期引入以来，钛合金已在航空航天、生物医学、海洋和先进工业领域得到广泛应用。其中，TC4钛合金（Ti–6Al–4V）是最常用的牌号，由于其良好的强度重量比和耐久性，常被制成螺栓和铆钉。重要的是，TC4螺栓表现出极低的残余磁性，使其成为磁屏蔽网壳结构中紧固件的有吸引力的候选者。以往关于钛合金螺栓的研究主要集中在其高温条件下的力学性能[17]、制造工艺引起的显微组织效应[18]、重复拧紧下的摩擦和预紧力损失[19]、高温下的预紧力松弛[20]、织构引起的强度变异性[21]、冲击响应[22]、复合加载[23]、腐蚀-疲劳相互作用[24]，以及通过表面处理增强疲劳性能[25]、[26]。最近，已提出集成嵌入式传感器的智能钛合金螺栓用于实时预紧力监测[27]。尽管取得了这些进展，现有研究主要集中于钛合金螺栓本身的材料和构件行为，而非其在铝合金节点板连接中的结构作用。在铝合金网壳结构中，节点板连接通常表现为半刚性连接，螺栓主要承受剪力。因此，紧固件的力学性能可能显著影响节点转动刚度、荷载传递机制和破坏模式。当钢螺栓被低磁性钛合金螺栓替代时，现有铝合金节点板连接的设计方法是否仍然适用尚未得到系统研究。尽管对传统铝合金节点板连接已有广泛研究，但当钢紧固件被低磁性TC4螺栓替代时的行为尚未得到系统研究。特别是，TC4螺栓对节点转动刚度、弯矩-转角响应、荷载传递机制和破坏模式的影响仍不清楚。为解决这一空白，本研究对使用低磁性TC4螺栓的铝合金节点板连接的半刚性行为进行了足尺试验与数值相结合的研究。研究结果为低磁性铝合金网壳节点的结构应用和设计提供了新的证据。大纲本文的其余部分组织如下。第2节描述试验方案，包括试件设计、加载系统、测量布置和材料性能。第3节介绍并讨论试验结果，重点关注低磁性铝合金节点板连接的弯矩-转角行为、刚度特性、应变发展和控制破坏模式。第4节介绍有限元建模策略，并提供数值预测与试验观察之间的详细比较。最后，第5节总结主要发现并强调其对低磁性铝合金网壳结构设计的启示。章节摘录试件设计节点由两块圆形铝合金节点板通过高强度螺栓对称连接至I形截面构件翼缘，形成紧凑高效的荷载传递机制。由于其模块化构型，所有节点构件均可完全预制，实现快速现场装配并确保稳定的几何精度。安装前和安装后的装配构型如图1所示。为研究低磁性试件T1和T2试件T1和T2的变形行为从整体和构件间两个角度在加载前后进行了记录，如图10所示。除面外弯曲引起的竖向主位移外，加载过程中观察到连接构件的轻微扭转变形。这种扭转表明节点内荷载传递存在轻微不对称性，可归因于安装引起的缺陷和非均匀边界条件。根据有限元建模铝合金节点板连接的转动行为受几何非线性、材料非线性以及节点构件间接触-摩擦相互作用的共同影响。为准确再现面外弯曲下试验观察到的响应，使用ABAQUS建立了低磁性铝合金节点板连接的精细化三维有限元（FE）模型。有限元模型基于试验试件的精确几何结论本研究通过四个足尺弯曲试验，评估了高强度TC4螺栓连接的低磁性6082-T6铝合金节点板连接的面外转动性能。系统考察了节点的弯矩-转角响应、特征力学参数和破坏机制。基于试验观察和分析，可以得出以下结论：（1）所有试件均表现出半刚性行为。弯矩-转角（M–φ）响应CRediT作者贡献声明曹正罡：写作——审阅与编辑，写作——原稿，可视化，验证，监督，资源，项目管理，方法学，调查，资金获取，概念化。张一舒：写作——审阅与编辑，写作——原稿，可视化，验证，软件，方法学，调查，正式分析，数据管理，概念化。吴碧昭：调查。万宗帅：写作——审阅与编辑，写作——原稿，利益冲突声明作者声明，他们不知道可能影响本报告所述工作的已知竞争经济利益或个人关系。致谢本研究得到中国国家自然科学基金（项目编号：52278167，52678206）的资助。曹正罡|张一舒|万宗帅|吴碧昭|陆敬一|范峰