基于微观机制的钢材韧性断裂试验与分析

发布时间：2018-01-23 19:35

本文关键词： 微观机制模型应力三轴度剪应比超低周疲劳 Q235B　出处：《东南大学》2015年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：钢结构在强震作用下发生的超低周疲劳断裂往往具有塑性应变大、循环圈数少的特征。传统断裂力学方法在预测材料断裂时均假设初裂纹已存在且在裂纹尖端存在高应变约束。而试验与工程研究均表明,无明显初始缺陷的钢结构在大应变幅下的循环加载过程中亦可能发生韧性断裂,因此传统断裂力学理论对于这种超低周疲劳的韧性断裂问题不再适用。近年来,基于微观机制的断裂理论及其模型被证明能够较有效地预测韧性断裂,但目前针对钢结构微观机制断裂模型的表征形式、参数校准及其相关试验的研究仍较为匮乏,尤其在循环加载和剪切机制下的韧性断裂机理方面仍存在较大争议。为此,本文采用理论模型、断裂试验和有限元分析相结合的方法,针对基于微观机制的钢材韧性断裂机理及其模型中的关键问题进行研究,主要内容和结论包括以下几个方面：(1)采用国产Q235B钢材加工了圆棒和剪切板等不同形状的试件,开展了圆棒和剪切板的基本材料性能试验、不同槽口半径圆棒的单向拉伸、不同槽口半径圆棒的循环加载试验以及不同角度剪切板的剪切拉伸试验,校准了圆棒和剪切板材料的真实应力-塑性应变曲线,获取了各试件自加载开始至最终断裂的全过程荷载-位移曲线、循环圈数、断裂位移、断裂形态等试验数据；(2)依据圆棒单向拉伸试验数据和有限元分析结果,校准了三种常用单调荷载延性断裂模型(VGM模型、SMCS模型和Johnson-Cook模型1的材料参数,结果表明,在圆棒单向拉伸试验所涉及的应力三轴度范围内,校准后的VGM模型、SMCS模型以及Johnson-Cook断裂模型与试验结果均吻合较好,都能较好地反映此应力三轴度范围内的断裂机制；在此基础上引入延性损伤因子(Ductile Damage Factor, DDF)的概念,建立了基于VGM因子的DDF模型(VGM-DDF模型)和基于Johnson-Cook因子的DDF模型(JC-DDF模型1)DDF模型形式更为通用,且能实时计算损伤因子的增长,便于实际应用；由于Johnson-Cook模型比VGM模型参数更多,因此Johnson-Cook断裂模型和JC-DDF模型精度分别优于VGM模型和JC-DDF模型；(3)依据圆棒循环加载试验数据和有限元分析结果,进行了两种常用循环加载断裂模型(CVGM模型和DSPS模型)的校准,结果表明,两个模型均可以较好地描述循环荷载下构件的断裂；在此基础上引入损伤因子概念,考虑拉-压损伤增长-恢复机制的差异,提出了可统一描述循环和单向荷载下延性断裂机制、且能实时计算损伤指标的统一延性损伤因子模型(UDDF模型),结果表明,本文提出的VGM-UDDF模型和JC-UDDF模型的整体预测结果与试验结果较为一致；(4)依据剪切板剪切拉伸试验数据和有限元模拟结果,研究了断裂时临界等效塑性应变与应力三轴度、剪应比的关系,从而对与应力三轴度有关的剪切断裂(STSD)模型和与剪应比有关的剪切断裂(SSRSD)模型进行校准和比较,发现SSRSD模型更适合描述本文进行的剪切拉伸试验中的剪切断裂;在此基础上引入了剪切损伤因子的概念,建立了便于实际应用的剪切损伤因子(SDF)模型；同时,分析本文试验结果发现,虽然单向荷载作用下应力三轴度在区间[0.4～0.8]内时,断裂机制不太明确,但可以近似认为,当应力三轴度大于0.7时,临界等效塑性应变与应力三轴度有关,当应力三轴度在区间[0～0.7]内时,临界等效塑性应变与剪应比有关。
[Abstract]:In recent years , the fracture theory and its model have been proved to be more effective to predict the fracture mechanism of ductile fracture under cyclic loading and shear mechanism . Considering the difference of tensile - compression damage growth - recovery mechanism , a unified ductile damage factor model ( UDDF model ) is proposed which can be used to describe the ductile fracture mechanism under one - way load and can be used to calculate the damage index in real time .

【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU511.3

【参考文献】