含细观缺陷的焊接构件损伤跨尺度演化分析方法及其应用

发布时间：2018-07-03 21:04

本文选题：细观裂纹 + 细观孔洞　；参考：《东南大学》2016年博士论文

【摘要】：焊接作为最常用的钢结构连接方式,具有诸多优点,然而焊接构件内部的细观缺陷却始终无法避免；在结构服役过程中,焊接构件中缺陷附近由于应力集中导致的局部损伤演化造成构件乃至结构性能的劣化,甚至造成结构的破坏。焊接构件中细观缺陷导致的损伤演化过程跨越了细观尺度和宏观尺度。为了掌握细观缺陷对构件损伤跨尺度演化过程的影响,有必要深入探讨焊接构件中不同尺度下损伤变量之间的联系,建立多尺度损伤表征方法,发展含细观缺陷的焊接构件损伤跨尺度演化分析方法。本文通过焊接构件试样拉伸过程的力学响应与损伤跨尺度演化模拟实验研究,分析了构件塑性变形过程中细观损伤演化机制与特征,揭示了焊接区域细观裂纹型缺陷和孔洞型缺陷随构件塑性变形的演化规律,以及焊接区域的细观损伤演化与构件宏观力学性能劣化之间的关联性。基于实验观测发现的焊接区域损伤演化过程中存在的缺陷几何形态的分形特征,建立了分别适用于裂纹型和孔洞型缺陷的分形损伤变量和多尺度损伤表征方法,并结合工程中的钢桁架结构分析案例建立了损伤跨尺度演化分析方法。本文完成的主要研究工作及成果如下：1)对金属构件拉伸变形过程进行了声发射探测实验研究,通过不同变形阶段声发射信号特征的分析,研究了金属构件变形过程中的微孔洞形核、增长和聚合的演化机理,以及弹性阶段、塑性流动阶段、强化阶段直至最后失效阶段的细观损伤演化特征。2)以典型焊接构件为试样,采用X射线计算机断层扫描和电测方法同步记录焊接区域细观缺陷和构件宏观力学性能的演化过程,分析了构件宏观力学性能随塑性变形的变化规律；发现焊接区域的细观缺陷几何形态主要有细观裂纹型和细观孔洞型两类,具有随机分布特征；研究了这两类形态的细观缺陷随塑性变形的变化规律,揭示了焊接构件中的细观缺陷和构件宏观力学性能之间的关联性。3)依据实验研究发现的焊接构件中细观缺陷的形状及特征,研究了含细观缺陷的代表性体元中的缺陷几何形态对损伤演化过程的影响。应用GTN损伤模型对含有不同几何形态焊接缺陷的代表体元进行了有限元分析,揭示了缺陷形状及体积对焊接构件损伤演化过程的影响。4)研究了细观裂纹型缺陷为主导的损伤表征方法。通过对焊接区域细观裂纹扩展过程的实验观测结果的进一步分析,发现细观裂纹扩展形态具有显著的分形特征：进而研究了裂纹总长度和裂纹扩展的分形维数随构件塑性变形的演化特性,提出了用于描述细观裂纹扩展的分形损伤变量及其多尺度损伤表征方法,并通过与现有的损伤变量的比较对其进行验证。通过对多个样本实验数据的分析,得到了裂纹总长度和分形维数随塑性变形增加的比例系数,揭示了细观裂纹几何形态对多尺度损伤演化过程的影响规律,以及多尺度损伤变量随塑性变形的变化趋势。5)研究了细观孔洞型缺陷为主导的损伤表征方法。通过对焊接区域细观孔洞演化过程的实验观测结果的进一步分析,发现细观孔洞体积与数量的演变同样具有显著的分形特征；研究了构件损伤与细观孔洞体积、数量以及分形维数之间的关系,建立了适用于细观孔洞演化的分形损伤变量及其多尺度损伤表征方法,并通过与现有的损伤变量的比较对其进行验证。通过对多个样本实验数据的分析,确定了分形损伤变量和多尺度损伤表征表达式的参数,揭示了分形损伤变量以及多尺度损伤表征与塑性变形之间的函数关系。6)结合工程中的钢桁架结构分析案例建立了含细观缺陷的焊接结构损伤跨尺度演化分析方法。将上述建立的多尺度损伤表征方法应用于典型焊接结构,根据焊接区域细观缺陷的几何形态以及构件的变形程度,对构件损伤程度及其损伤演化过程进行量化分析。研究结果表明,本文所建立的损伤量化与分析方法不但能很好的描述构件在细观和宏观两个尺度上的损伤演化过程,而且能充分体现构件内部细观缺陷几何特征对其宏观力学性能的影响。
[Abstract]:As the most common connection way of steel structure , welding has many advantages , however , the defects in the welding structure can ' t be avoided .
In the process of structural service , the damage evolution of components and structures caused by stress concentration in the vicinity of the defects in the welding component results in the deterioration of the structural performance and even the damage of the structure .
It is found that the geometrical morphology of the meso - defects in the welding area is mainly meso - crack type and meso - hole - type , and has the characteristics of random distribution ;
In this paper , the influence of the defect geometry on the damage evolution of the welded components is studied by using the GTN damage model .
The relationship between component damage and pore volume , quantity and fractal dimension is studied . The fractal damage variable and its multi - scale damage characterization method are established .
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG40

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