本文關(guān)鍵詞：含初始缺陷的焊接結(jié)構(gòu)損傷演化致破壞的數(shù)值分析

  更多相關(guān)文章： 焊接結(jié)構(gòu) 初始缺陷 損傷演化 數(shù)值分析

【摘要】：焊接結(jié)構(gòu)的損傷演化過程往往起始于焊接細(xì)節(jié)處的初始細(xì)觀缺陷,這些細(xì)觀缺陷在結(jié)構(gòu)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(dǎo)致構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的失效。這一過程宏觀上表現(xiàn)為構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能不斷下降,其內(nèi)在的物理機(jī)制則是初始缺陷從細(xì)觀到宏觀的跨尺度演化。目前,由于我們對(duì)構(gòu)件、結(jié)構(gòu)損傷演化的內(nèi)在物理機(jī)制認(rèn)識(shí)還不夠充分,這直接導(dǎo)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(xì)觀尺度描述細(xì)觀缺陷物理形態(tài),或是單一的宏觀尺度描述損傷導(dǎo)致的力學(xué)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(jié)構(gòu)損傷分析中忽略了初始缺陷的作用及其對(duì)結(jié)構(gòu)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(gòu)件或結(jié)構(gòu)損傷的細(xì)觀物理機(jī)制出發(fā),采用宏、細(xì)觀相結(jié)合的方法建立的損傷表征變量,對(duì)考慮焊接損傷區(qū)初始缺陷的焊接構(gòu)件的損傷演化方程和本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行探討；其次,在焊接結(jié)構(gòu)中依據(jù)X-CT缺陷掃描結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)觀缺陷重構(gòu),建立含細(xì)觀缺陷的焊接結(jié)構(gòu)損傷分析的有限元模型,在對(duì)考慮初始缺陷的焊接鋼結(jié)構(gòu)損傷演化分析后,探討考慮初始缺陷的焊接鋼結(jié)構(gòu)或構(gòu)件損傷演化過程的規(guī)律和細(xì)觀缺陷演化的形態(tài)特征,并考察初始缺陷的含量對(duì)結(jié)構(gòu)局部細(xì)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(jié)果包括：首先為了描述細(xì)觀裂紋主導(dǎo)階段的損傷行為,基于細(xì)觀裂紋擴(kuò)展中的分形特征,建立了分形損傷變量。通過對(duì)比焊接構(gòu)件單軸拉伸下的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果相一致,同時(shí)分形損傷變量對(duì)損傷的表征結(jié)果與傳統(tǒng)宏觀表征結(jié)果吻合較好,從而確定了使用分形維數(shù)描述由細(xì)觀裂紋擴(kuò)展引起的損傷演化的合理性和正確性。其次由于細(xì)觀裂紋的萌生始于細(xì)觀孔洞開始聚合形成細(xì)觀裂紋帶,為了描述包含細(xì)觀孔洞主導(dǎo)和細(xì)觀裂紋主導(dǎo)兩個(gè)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(xì)觀孔洞主導(dǎo)階段的損傷行為,當(dāng)損傷達(dá)到細(xì)觀孔洞臨界聚合體積分?jǐn)?shù)時(shí),標(biāo)志著損傷的物理形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)觀裂紋,進(jìn)一步使用細(xì)觀裂紋擴(kuò)展過程中的分形維數(shù)描述細(xì)觀裂紋主導(dǎo)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(xì)觀孔洞和細(xì)觀裂紋分別作為焊接損傷區(qū)中的初始缺陷形態(tài)時(shí)對(duì)焊接構(gòu)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(gòu)方程中,并基于焊接損傷區(qū)細(xì)觀缺陷重構(gòu)結(jié)果建立了焊接構(gòu)件有限元模型。對(duì)焊接構(gòu)件損傷演化過程進(jìn)行數(shù)值模擬的結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)焊接損傷區(qū)中的初始缺陷為細(xì)觀孔洞時(shí),損傷演化過程經(jīng)歷了細(xì)觀孔洞主導(dǎo)階段和細(xì)觀裂紋主導(dǎo)階段；在累積塑性應(yīng)變達(dá)到0.018時(shí),焊接損傷區(qū)中的損傷的物理形態(tài)由細(xì)觀孔洞轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)觀裂紋,細(xì)觀孔洞階段的損傷演化速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于細(xì)觀裂紋階段；其次,對(duì)比初始缺陷分別為細(xì)觀孔洞和細(xì)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(xì)觀孔洞會(huì)對(duì)后續(xù)細(xì)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(duì)損傷演化后期速率確有影響。為了進(jìn)一步分析大型結(jié)構(gòu)在復(fù)雜工況下從初始缺陷演化開始致使結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中的典型加勁桁架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)整體以及局部的損傷分布和損傷的演化規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)橄孪覘U節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的連接面上,進(jìn)而可以確定結(jié)構(gòu)局部的失效路徑是沿著焊接損傷區(qū)與節(jié)點(diǎn)連接面,由焊接損傷區(qū)一端向另一端擴(kuò)展。通過控制初始損傷來實(shí)現(xiàn)對(duì)初始缺陷含量的設(shè)置,當(dāng)初始缺陷均為細(xì)觀孔洞時(shí),缺陷含量對(duì)不同損傷主導(dǎo)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(huì)在損傷演化后期提升焊接損傷區(qū)處細(xì)觀裂紋的分布范圍,并使得結(jié)構(gòu)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(duì)后期結(jié)構(gòu)整體宏觀力學(xué)性能影響不明顯,可以在實(shí)際工程計(jì)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(jī)制出發(fā),闡述從初始缺陷出發(fā)的損傷演化機(jī)制和規(guī)律,并使損傷的表征結(jié)果具有鮮明的物理意義。結(jié)果表明：局部焊接損傷區(qū)中初始缺陷在復(fù)雜應(yīng)力水平下經(jīng)歷物理形態(tài)上的演化最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的失效。這些工作為考慮初始缺陷的焊接鋼結(jié)構(gòu)損傷演化數(shù)值分析提供了新的思路和方法。
【關(guān)鍵詞】：焊接結(jié)構(gòu) 初始缺陷 損傷演化 數(shù)值分析
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：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(guān)領(lǐng)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(gòu)關(guān)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(gòu)件損傷區(qū)材料本構(gòu)關(guān)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(jī)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(xì)觀裂紋擴(kuò)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(gòu)關(guān)系26-27
• 2.5 本章小結(jié)27-29
• 第3章 焊接結(jié)構(gòu)損傷區(qū)的細(xì)觀缺陷重構(gòu)與數(shù)值模擬29-41
• 3.1 對(duì)焊接損傷區(qū)中細(xì)觀缺陷的X-CT觀測結(jié)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(gòu)件損傷區(qū)的細(xì)觀缺陷重構(gòu)方法32-33
• 3.3 基于細(xì)觀缺陷重構(gòu)的焊接構(gòu)件整體-局部有限元模擬33-36
• 3.4 材料損傷本構(gòu)模型數(shù)值實(shí)現(xiàn)方法36-40
• 3.4.1 完全隱式Euler應(yīng)力更新算法36-37
• 3.4.2 UMAT子程序編制與實(shí)施流程37-40
• 3.5 本章小結(jié)40-41
• 第4章 含初始缺陷的焊接構(gòu)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(yàn)證42-47
• 4.2.1 焊接損傷區(qū)損傷分布及構(gòu)件斷口形態(tài)42-46
• 4.2.2 分形損傷表征結(jié)果的驗(yàn)證46-47
• 4.3 初始缺陷形態(tài)差異對(duì)焊接構(gòu)件損傷演化過程的影響47-52
• 4.3.1 從細(xì)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(duì)損傷速率的影響51-52
• 4.4 本章小結(jié)52-53
• 第5章 含初始缺陷的焊接鋼桁架結(jié)構(gòu)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(guān)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(jié)構(gòu)的損傷演化規(guī)律57-64
• 5.2.1 鋼桁架結(jié)構(gòu)中的各部分損傷分布規(guī)律57-60
• 5.2.2 鋼桁架結(jié)構(gòu)中損傷的物理形態(tài)及演化規(guī)律60-62
• 5.2.3 結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)區(qū)域與失效路徑62-64
• 5.3 初始缺陷對(duì)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(duì)結(jié)構(gòu)失效路徑的影響64-67
• 5.3.2 初始缺陷對(duì)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(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響70-72
• 5.4.1 焊接損傷區(qū)應(yīng)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(jié)72-75
• 第6章 結(jié)論與展望75-79
• 6.1 完成的主要工作和結(jié)論75-78
• 6.2 后續(xù)研究工作展望78-79
• 參考文獻(xiàn)79-85
• 致謝85-87
• 攻讀碩士學(xué)位期間撰寫與發(fā)表的論文87

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 趙超凡;李兆霞;;焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔洞演化特征及其多尺度損傷表征[J];工程力學(xué);2015年08期

2 欒海洋;范穎芳;王大為;任超;;基于分形理論的CFRP布增強(qiáng)混凝土梁抗彎性能研究[J];工程力學(xué);2015年04期

3 張穎;劉愛玲;李彬;戴光;;基于GTN模型的20鋼孔洞擴(kuò)張比數(shù)值模擬[J];機(jī)械強(qiáng)度;2015年02期

4 孫權(quán);閆玉曦;陳建鈞;潘紅良;;修正GTN模型及其在預(yù)測硅鋼冷軋邊裂中的應(yīng)用[J];工程力學(xué);2014年06期

5 趙超凡;李兆霞;;焊接結(jié)構(gòu)損傷區(qū)細(xì)觀裂紋擴(kuò)展的分形特征及其多尺度損傷表征[J];東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2013年05期

6 鄭山鎖;任夢(mèng)寧;謝明;李磊;;混凝土斷裂面多重分形譜的二次擬合研究[J];工程力學(xué);2013年05期

7 吳賢振;劉祥鑫;梁正召;游勛;余敏;;不同巖石破裂全過程的聲發(fā)射序列分形特征試驗(yàn)研究[J];巖土力學(xué);2012年12期

8 袁小平;李波濤;劉紅巖;王志喬;孫鳴雷;;基于壓縮載荷下微裂紋擴(kuò)展的微觀力學(xué)巖石彈塑性損傷模型研究[J];中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2012年08期

9 陳志英;劉林強(qiáng);董湘懷;;基于不同強(qiáng)化模型的GTN損傷模型及其在板料回彈有限元分析中的應(yīng)用[J];工程力學(xué);2012年07期

10 高瑋;汪磊;楊大勇;;巖石損傷演化的能量方法研究[J];巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào);2011年S2期

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