含初始缺陷的焊接结构损伤演化致破坏的数值分析

发布时间：2017-07-29 09:33

  本文关键词：含初始缺陷的焊接结构损伤演化致破坏的数值分析

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【摘要】：焊接结构的损伤演化过程往往起始于焊接细节处的初始细观缺陷,这些细观缺陷在结构服役过程中经过损伤演化逐渐发展到宏观尺度,最终可能导致构件或结构的失效。这一过程宏观上表现为构件或结构的力学性能不断下降,其内在的物理机制则是初始缺陷从细观到宏观的跨尺度演化。目前,由于我们对构件、结构损伤演化的内在物理机制认识还不够充分,这直接导致损伤演化的表征方法大多停留在单一尺度上,或是单一的细观尺度描述细观缺陷物理形态,或是单一的宏观尺度描述损伤导致的力学性能衰退,缺乏完善的损伤跨尺度表征方法；另一方面,绝大多数焊接结构损伤分析中忽略了初始缺陷的作用及其对结构整体和局部损伤演化规律的影响。因此,本文首先从焊接构件或结构损伤的细观物理机制出发,采用宏、细观相结合的方法建立的损伤表征变量,对考虑焊接损伤区初始缺陷的焊接构件的损伤演化方程和本构关系进行探讨；其次,在焊接结构中依据X-CT缺陷扫描结构进行细观缺陷重构,建立含细观缺陷的焊接结构损伤分析的有限元模型,在对考虑初始缺陷的焊接钢结构损伤演化分析后,探讨考虑初始缺陷的焊接钢结构或构件损伤演化过程的规律和细观缺陷演化的形态特征,并考察初始缺陷的含量对结构局部细节损伤演化过程的影响。具体而言,本文完成的主要工作和研究结果包括：首先为了描述细观裂纹主导阶段的损伤行为,基于细观裂纹扩展中的分形特征,建立了分形损伤变量。通过对比焊接构件单轴拉伸下的数值模拟结果与试验现象,发现：模拟得到的焊接损伤区损伤分布和断口形貌均与试验结果相一致,同时分形损伤变量对损伤的表征结果与传统宏观表征结果吻合较好,从而确定了使用分形维数描述由细观裂纹扩展引起的损伤演化的合理性和正确性。其次由于细观裂纹的萌生始于细观孔洞开始聚合形成细观裂纹带,为了描述包含细观孔洞主导和细观裂纹主导两个阶段的损伤演化过程,借鉴并使用GTN模型中孔隙率的方式描述细观孔洞主导阶段的损伤行为,当损伤达到细观孔洞临界聚合体积分数时,标志着损伤的物理形态转变为细观裂纹,进一步使用细观裂纹扩展过程中的分形维数描述细观裂纹主导阶段的损伤行为。在建立了合适的损伤表征方法后,为了探讨细观孔洞和细观裂纹分别作为焊接损伤区中的初始缺陷形态时对焊接构件加载过程中损伤演化规律的影响,将分形损伤变量和体积-分形损伤变量嵌入到材料本构方程中,并基于焊接损伤区细观缺陷重构结果建立了焊接构件有限元模型。对焊接构件损伤演化过程进行数值模拟的结果发现：当焊接损伤区中的初始缺陷为细观孔洞时,损伤演化过程经历了细观孔洞主导阶段和细观裂纹主导阶段；在累积塑性应变达到0.018时,焊接损伤区中的损伤的物理形态由细观孔洞转变为细观裂纹,细观孔洞阶段的损伤演化速度要远远小于细观裂纹阶段；其次,对比初始缺陷分别为细观孔洞和细观裂纹两种情况下的焊接损伤区损伤演化过程,发现细观孔洞会对后续细观裂纹的演化速率起到一定的削弱,这表明初始缺陷的物理形态对损伤演化后期速率确有影响。为了进一步分析大型结构在复杂工况下从初始缺陷演化开始致使结构整体失效的损伤演化过程,建立了考虑初始缺陷的大跨桥梁钢箱梁结构中的典型加劲桁架结构有限元模型。模拟钢桁架在位移和力控制的循环荷载作用下的损伤演化过程,来分析考虑焊接损伤区和母材初始缺陷后,结构整体以及局部的损伤分布和损伤的演化规律。结果发现：结构的危险区域为下弦杆节点与斜腹板连接的焊接损伤区处,损伤较大值出现在焊接损伤区与节点的连接面上,进而可以确定结构局部的失效路径是沿着焊接损伤区与节点连接面,由焊接损伤区一端向另一端扩展。通过控制初始损伤来实现对初始缺陷含量的设置,当初始缺陷均为细观孔洞时,缺陷含量对不同损伤主导形式阶段的演化速率没有明显的影响,但较大的初始缺陷含量会在损伤演化后期提升焊接损伤区处细观裂纹的分布范围,并使得结构局部失效路径呈现多样化。与焊接损伤区处初始缺陷相比,母材中的初始缺陷对后期结构整体宏观力学性能影响不明显,可以在实际工程计算中忽略。综上所述,文中建立的损伤表征变量从金属延性断裂的物理机制出发,阐述从初始缺陷出发的损伤演化机制和规律,并使损伤的表征结果具有鲜明的物理意义。结果表明：局部焊接损伤区中初始缺陷在复杂应力水平下经历物理形态上的演化最终导致结构的失效。这些工作为考虑初始缺陷的焊接钢结构损伤演化数值分析提供了新的思路和方法。
【关键词】：焊接结构 初始缺陷 损伤演化 数值分析
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG404
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-19
• 1.1 研究工作背景11-12
• 1.2 相关领域的研究现状12-16
• 1.2.1 材料损伤表征与分析方法12-14
• 1.2.2 金属延性损伤本构关系14-15
• 1.2.3 裂纹分形理论15-16
• 1.3 本文的主要工作16-19
• 第2章 焊接构件损伤区材料本构关系和各类缺陷的损伤表征19-29
• 2.1 焊接损伤区中初始缺陷的主要类型19-21
• 2.1.1 焊接损伤区中缺陷的类型及来源19-20
• 2.1.2 焊接损伤区中缺陷的主要类型20-21
• 2.2 金属延性损伤演化的物理机制21-22
• 2.3 焊接损伤区中缺陷的阶段性形态特征及其损伤表征22-26
• 2.3.1 孔洞形核生长阶段的体积损伤表征23-24
• 2.3.2 细观裂纹扩展的分形损伤表征24-26
• 2.3.3 综合考虑损各阶段缺陷形态特征的损伤变量及其演化方程26
• 2.4 材料损伤本构关系26-27
• 2.5 本章小结27-29
• 第3章 焊接结构损伤区的细观缺陷重构与数值模拟29-41
• 3.1 对焊接损伤区中细观缺陷的X-CT观测结果29-32
• 3.1.1 焊接区域的初始缺陷形态与分布30-31
• 3.1.2 变形过程中焊接损伤区缺陷演化形态31-32
• 3.2 焊接构件损伤区的细观缺陷重构方法32-33
• 3.3 基于细观缺陷重构的焊接构件整体-局部有限元模拟33-36
• 3.4 材料损伤本构模型数值实现方法36-40
• 3.4.1 完全隐式Euler应力更新算法36-37
• 3.4.2 UMAT子程序编制与实施流程37-40
• 3.5 本章小结40-41
• 第4章 含初始缺陷的焊接构件损伤演化过程分析41-53
• 4.1 考虑焊接损伤区初始缺陷的损伤演化分析方法41-42
• 4.2 分形损伤变量的可行性验证42-47
• 4.2.1 焊接损伤区损伤分布及构件断口形态42-46
• 4.2.2 分形损伤表征结果的验证46-47
• 4.3 初始缺陷形态差异对焊接构件损伤演化过程的影响47-52
• 4.3.1 从细观孔洞开始的损伤演化分析48-51
• 4.3.2 初始损伤物理形态对损伤速率的影响51-52
• 4.4 本章小结52-53
• 第5章 含初始缺陷的焊接钢桁架结构损伤演化过程分析53-75
• 5.1 焊接钢桁架有限元模型建立53-57
• 5.1.1 焊接钢桁架几何模型53-55
• 5.1.2 焊接损伤区中与初始缺陷及损伤演化相关的参数55
• 5.1.3 焊接钢桁架有限元模型55-57
• 5.2 循环荷载作用下焊接钢桁架结构的损伤演化规律57-64
• 5.2.1 钢桁架结构中的各部分损伤分布规律57-60
• 5.2.2 钢桁架结构中损伤的物理形态及演化规律60-62
• 5.2.3 结构危险区域与失效路径62-64
• 5.3 初始缺陷对焊接损伤区局部损伤演化的影响64-70
• 5.3.1 焊接损伤区对结构失效路径的影响64-67
• 5.3.2 初始缺陷对焊接损伤区局部损伤演化的影响67-70
• 5.4 从初始缺陷开始的损伤演化对结构力学性能的影响70-72
• 5.4.1 焊接损伤区应力分布状态70-72
• 5.4.2 局部材料刚度退化72
• 5.5 本章小结72-75
• 第6章 结论与展望75-79
• 6.1 完成的主要工作和结论75-78
• 6.2 后续研究工作展望78-79
• 参考文献79-85
• 致谢85-87
• 攻读硕士学位期间撰写与发表的论文87

【参考文献】

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本文编号：588526