本文關鍵詞：含初始缺陷的焊接結構損傷演化致破壞的數(shù)值分析

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【摘要】：焊接結構的損傷演化過程往往起始于焊接細節(jié)處的初始細觀缺陷,這些細觀缺陷在結構服役過程中經(jīng)過損傷演化逐漸發(fā)展到宏觀尺度,最終可能導致構件或結構的失效。這一過程宏觀上表現(xiàn)為構件或結構的力學性能不斷下降,其內(nèi)在的物理機制則是初始缺陷從細觀到宏觀的跨尺度演化。目前,由于我們對構件、結構損傷演化的內(nèi)在物理機制認識還不夠充分,這直接導致?lián)p傷演化的表征方法大多停留在單一尺度上,或是單一的細觀尺度描述細觀缺陷物理形態(tài),或是單一的宏觀尺度描述損傷導致的力學性能衰退,缺乏完善的損傷跨尺度表征方法；另一方面,絕大多數(shù)焊接結構損傷分析中忽略了初始缺陷的作用及其對結構整體和局部損傷演化規(guī)律的影響。因此,本文首先從焊接構件或結構損傷的細觀物理機制出發(fā),采用宏、細觀相結合的方法建立的損傷表征變量,對考慮焊接損傷區(qū)初始缺陷的焊接構件的損傷演化方程和本構關系進行探討；其次,在焊接結構中依據(jù)X-CT缺陷掃描結構進行細觀缺陷重構,建立含細觀缺陷的焊接結構損傷分析的有限元模型,在對考慮初始缺陷的焊接鋼結構損傷演化分析后,探討考慮初始缺陷的焊接鋼結構或構件損傷演化過程的規(guī)律和細觀缺陷演化的形態(tài)特征,并考察初始缺陷的含量對結構局部細節(jié)損傷演化過程的影響。具體而言,本文完成的主要工作和研究結果包括：首先為了描述細觀裂紋主導階段的損傷行為,基于細觀裂紋擴展中的分形特征,建立了分形損傷變量。通過對比焊接構件單軸拉伸下的數(shù)值模擬結果與試驗現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)：模擬得到的焊接損傷區(qū)損傷分布和斷口形貌均與試驗結果相一致,同時分形損傷變量對損傷的表征結果與傳統(tǒng)宏觀表征結果吻合較好,從而確定了使用分形維數(shù)描述由細觀裂紋擴展引起的損傷演化的合理性和正確性。其次由于細觀裂紋的萌生始于細觀孔洞開始聚合形成細觀裂紋帶,為了描述包含細觀孔洞主導和細觀裂紋主導兩個階段的損傷演化過程,借鑒并使用GTN模型中孔隙率的方式描述細觀孔洞主導階段的損傷行為,當損傷達到細觀孔洞臨界聚合體積分數(shù)時,標志著損傷的物理形態(tài)轉變?yōu)榧氂^裂紋,進一步使用細觀裂紋擴展過程中的分形維數(shù)描述細觀裂紋主導階段的損傷行為。在建立了合適的損傷表征方法后,為了探討細觀孔洞和細觀裂紋分別作為焊接損傷區(qū)中的初始缺陷形態(tài)時對焊接構件加載過程中損傷演化規(guī)律的影響,將分形損傷變量和體積-分形損傷變量嵌入到材料本構方程中,并基于焊接損傷區(qū)細觀缺陷重構結果建立了焊接構件有限元模型。對焊接構件損傷演化過程進行數(shù)值模擬的結果發(fā)現(xiàn)：當焊接損傷區(qū)中的初始缺陷為細觀孔洞時,損傷演化過程經(jīng)歷了細觀孔洞主導階段和細觀裂紋主導階段；在累積塑性應變達到0.018時,焊接損傷區(qū)中的損傷的物理形態(tài)由細觀孔洞轉變?yōu)榧氂^裂紋,細觀孔洞階段的損傷演化速度要遠遠小于細觀裂紋階段；其次,對比初始缺陷分別為細觀孔洞和細觀裂紋兩種情況下的焊接損傷區(qū)損傷演化過程,發(fā)現(xiàn)細觀孔洞會對后續(xù)細觀裂紋的演化速率起到一定的削弱,這表明初始缺陷的物理形態(tài)對損傷演化后期速率確有影響。為了進一步分析大型結構在復雜工況下從初始缺陷演化開始致使結構整體失效的損傷演化過程,建立了考慮初始缺陷的大跨橋梁鋼箱梁結構中的典型加勁桁架結構有限元模型。模擬鋼桁架在位移和力控制的循環(huán)荷載作用下的損傷演化過程,來分析考慮焊接損傷區(qū)和母材初始缺陷后,結構整體以及局部的損傷分布和損傷的演化規(guī)律。結果發(fā)現(xiàn)：結構的危險區(qū)域為下弦桿節(jié)點與斜腹板連接的焊接損傷區(qū)處,損傷較大值出現(xiàn)在焊接損傷區(qū)與節(jié)點的連接面上,進而可以確定結構局部的失效路徑是沿著焊接損傷區(qū)與節(jié)點連接面,由焊接損傷區(qū)一端向另一端擴展。通過控制初始損傷來實現(xiàn)對初始缺陷含量的設置,當初始缺陷均為細觀孔洞時,缺陷含量對不同損傷主導形式階段的演化速率沒有明顯的影響,但較大的初始缺陷含量會在損傷演化后期提升焊接損傷區(qū)處細觀裂紋的分布范圍,并使得結構局部失效路徑呈現(xiàn)多樣化。與焊接損傷區(qū)處初始缺陷相比,母材中的初始缺陷對后期結構整體宏觀力學性能影響不明顯,可以在實際工程計算中忽略。綜上所述,文中建立的損傷表征變量從金屬延性斷裂的物理機制出發(fā),闡述從初始缺陷出發(fā)的損傷演化機制和規(guī)律,并使損傷的表征結果具有鮮明的物理意義。結果表明：局部焊接損傷區(qū)中初始缺陷在復雜應力水平下經(jīng)歷物理形態(tài)上的演化最終導致結構的失效。這些工作為考慮初始缺陷的焊接鋼結構損傷演化數(shù)值分析提供了新的思路和方法。
【關鍵詞】：焊接結構 初始缺陷 損傷演化 數(shù)值分析
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TG404
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 緒論11-19
• 1.1 研究工作背景11-12
• 1.2 相關領域的研究現(xiàn)狀12-16
• 1.2.1 材料損傷表征與分析方法12-14
• 1.2.2 金屬延性損傷本構關系14-15
• 1.2.3 裂紋分形理論15-16
• 1.3 本文的主要工作16-19
• 第2章 焊接構件損傷區(qū)材料本構關系和各類缺陷的損傷表征19-29
• 2.1 焊接損傷區(qū)中初始缺陷的主要類型19-21
• 2.1.1 焊接損傷區(qū)中缺陷的類型及來源19-20
• 2.1.2 焊接損傷區(qū)中缺陷的主要類型20-21
• 2.2 金屬延性損傷演化的物理機制21-22
• 2.3 焊接損傷區(qū)中缺陷的階段性形態(tài)特征及其損傷表征22-26
• 2.3.1 孔洞形核生長階段的體積損傷表征23-24
• 2.3.2 細觀裂紋擴展的分形損傷表征24-26
• 2.3.3 綜合考慮損各階段缺陷形態(tài)特征的損傷變量及其演化方程26
• 2.4 材料損傷本構關系26-27
• 2.5 本章小結27-29
• 第3章 焊接結構損傷區(qū)的細觀缺陷重構與數(shù)值模擬29-41
• 3.1 對焊接損傷區(qū)中細觀缺陷的X-CT觀測結果29-32
• 3.1.1 焊接區(qū)域的初始缺陷形態(tài)與分布30-31
• 3.1.2 變形過程中焊接損傷區(qū)缺陷演化形態(tài)31-32
• 3.2 焊接構件損傷區(qū)的細觀缺陷重構方法32-33
• 3.3 基于細觀缺陷重構的焊接構件整體-局部有限元模擬33-36
• 3.4 材料損傷本構模型數(shù)值實現(xiàn)方法36-40
• 3.4.1 完全隱式Euler應力更新算法36-37
• 3.4.2 UMAT子程序編制與實施流程37-40
• 3.5 本章小結40-41
• 第4章 含初始缺陷的焊接構件損傷演化過程分析41-53
• 4.1 考慮焊接損傷區(qū)初始缺陷的損傷演化分析方法41-42
• 4.2 分形損傷變量的可行性驗證42-47
• 4.2.1 焊接損傷區(qū)損傷分布及構件斷口形態(tài)42-46
• 4.2.2 分形損傷表征結果的驗證46-47
• 4.3 初始缺陷形態(tài)差異對焊接構件損傷演化過程的影響47-52
• 4.3.1 從細觀孔洞開始的損傷演化分析48-51
• 4.3.2 初始損傷物理形態(tài)對損傷速率的影響51-52
• 4.4 本章小結52-53
• 第5章 含初始缺陷的焊接鋼桁架結構損傷演化過程分析53-75
• 5.1 焊接鋼桁架有限元模型建立53-57
• 5.1.1 焊接鋼桁架幾何模型53-55
• 5.1.2 焊接損傷區(qū)中與初始缺陷及損傷演化相關的參數(shù)55
• 5.1.3 焊接鋼桁架有限元模型55-57
• 5.2 循環(huán)荷載作用下焊接鋼桁架結構的損傷演化規(guī)律57-64
• 5.2.1 鋼桁架結構中的各部分損傷分布規(guī)律57-60
• 5.2.2 鋼桁架結構中損傷的物理形態(tài)及演化規(guī)律60-62
• 5.2.3 結構危險區(qū)域與失效路徑62-64
• 5.3 初始缺陷對焊接損傷區(qū)局部損傷演化的影響64-70
• 5.3.1 焊接損傷區(qū)對結構失效路徑的影響64-67
• 5.3.2 初始缺陷對焊接損傷區(qū)局部損傷演化的影響67-70
• 5.4 從初始缺陷開始的損傷演化對結構力學性能的影響70-72
• 5.4.1 焊接損傷區(qū)應力分布狀態(tài)70-72
• 5.4.2 局部材料剛度退化72
• 5.5 本章小結72-75
• 第6章 結論與展望75-79
• 6.1 完成的主要工作和結論75-78
• 6.2 后續(xù)研究工作展望78-79
• 參考文獻79-85
• 致謝85-87
• 攻讀碩士學位期間撰寫與發(fā)表的論文87

【參考文獻】

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本文編號：588526