单调荷载和超低周荷载作用下钢材的微观断裂模型及其参数校准

发布时间：2020-02-05 06:16

【摘要】：基于微观机制的断裂模型可用来预测钢结构的延性断裂。为校准Q235B钢母材和Q345B钢母材以及ER-50型焊材的微观断裂模型参数,本文主要进行了以下工作:(1)归纳总结现有材料微观力学模型及其基本假定,在此基础上遴选最能反映钢材延性裂缝开展基本机理与宏观断裂行为相互关系且便于结构工程应用的物理机制模型,即应力修正临界应变模型(SMCS)、空穴扩张模型(VGM)、以及退化有效塑性应变模型(DSPS)和循环空穴扩张模型(CVGM),并将其引入本文的钢结构断裂问题研究。(2)以常用的Q235B钢母材、Q345B钢母材及其对应的ER-50型焊材三种材料为对象,首先对其进行光滑圆棒试验,以得到其相关材性数据;然后设计三种不同槽口半径的试件(每种材料6根,每种槽口2根,共18根),通过槽口曲率的变化反映临界截面应力三轴度的影响,并对圆周平滑槽口拉伸试件进行单向拉伸试验,获取其荷载与槽口伸长的关系曲线,捕捉其曲线斜率突变点作为延性断裂发生点。通过非线性弹塑性有限元分析得到起裂时的临界应力和应变,然后将其代入微观机制模型表达式从而确定断裂参数取值,并总结归纳了影响参数的因素。对拉伸试验拉断试件进行断口扫描电镜试验,以测得三种材料的特征长度l*。(3)自编有限元软件ABAQUS子程序VUMAT,用微观机制模型作为开裂判据,将失效的单元逐个删除,模拟了单调荷载作用下的18根试件开裂后的荷载位移曲线,并与试验结果以及未考虑断裂的有限元模拟结果进行比较,初步探讨了在有限元分析中引入微观机制断裂判据得到钢结构试件全程荷载位移曲线的可行性。(4)对圆周平滑槽口试件进行超低周疲劳试验和有限元分析,以校准Q235B钢母材、Q345B钢母材及ER-50型焊材三种材料超低周疲劳荷载作用下的微观机制模型损伤退化参数,使其可以用于超低周反复荷载下的钢结构焊接节点断裂问题分析。
【图文】：

延性断裂,断裂形态

(a)空穴形核 (b)空穴扩张 (c)空穴间收缩 (d)空穴聚合图1.1 延性断裂的断裂形态钢结构的断裂破坏原因是因为随着表面积不断增大，，构件内部形成了新的表面，构件的净截面减小以致于发生了最终破坏。疲劳大体上可以分为高周疲劳和低周疲劳。高周疲劳是较小的应力应变幅循环作用几十万次而引起构件的破坏，构件多发生突然的脆性断裂。而低周疲劳是较大的应力应变幅循环作用几十次或几百次而引起的破坏，构件多发生延性脆性转变型断裂。疲劳是在循环应力作用下裂纹扩展并最终破坏的过程[10-13]。循环加载会降低结构和构件的强度和延性。与断裂类似，基于应力条件、加载历史和材料的微观结构，疲劳也有许多不同的机理。地震荷载作用下的疲劳通常在循环几十次甚至十次以内就引起破坏，并且受微观结构影响很大，我们称之为超低周疲劳以区别于低周疲劳（循环几百次破坏），构件在这种疲劳荷载作用下多发生延性断裂，本文主要研究这种超低周疲劳机理。1.1.3 传统断裂力学方法传统断裂力学方法[14]是基于 Griffith 教授提出的能量释放率理论[15]

关系曲线,应力三轴度,塑性应变,关系曲线

式（1.7）即为VGM模型。在许多实际情况中材料的变形不是特别大，虽然塑性应变的增加很快，但应力三轴度大体保持不变，如图1.2所示，而应力三轴度对塑性应变的显式积分可以在VGM模型中显现，因此式（1.7）积分号里面的项可以提出来作为一个乘积，VGM模型简化为：（1.8）图1.2 应力三轴度与塑性应变关系曲线临界塑性应变可表示为：（1.9）考虑到等式右边的左端项均为基本的材料系数，它们可以合并为一个材料参数α：（1.10）这就是SMCS模型的基本形式，Hancock[18]的解释为：单个材料点的延性断裂取决于应力三轴度与塑性应变的相互作用，后来Theocaris[19]也有相同的观点，随着应力三轴度的增加
【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TU391

【参考文献】