HRB400钢在较低三轴应力下变形破坏的试验与数值研究
发布时间：2020-05-28 10:51
【摘要】：近年来,随着建筑行业的飞速发展,钢结构的断裂破坏问题备受关注。HRB400热轧螺纹钢筋作为我国现阶段建筑行业的主流钢材,研究它的断裂力学行为有重要实际工程意义。长期以来,关于韧性材料的断裂研究大多集中在高应力三轴度范围,而对较低三轴应力下的断裂问题研究仍存在较大争议。为此,本文采用HRB400钢材料加工了一系列可获取不同应力状态的试样,利用MTS复合拉扭试验机对这些试样进行拉扭破坏试验;并结合数值模拟软件,对HRB400钢在低三轴应力下的失效应变与应力状态之间的关系开展了研究:(1)通过光滑实心圆棒的单拉试验与空心薄壁圆管的纯扭试验获取材料的弹塑性参数,并结合数值模拟对二者的硬化曲线进行延伸标定。得到了 HRB400钢在单轴拉伸和纯扭作用下的硬化曲线,并分析了它们的差异。(2)为了研究材料在较低应力三轴度下的破坏规律,用中心孔板试样、不同形式剪切板试样以及空心缺口圆管试样进行变形破坏试验,测定了各试样的裂纹萌生时刻和起裂位置。并根据各试样临断裂前的变形估计它们的平均断裂应变,发现HRB400钢在拉剪混合作用下的平均等效断裂应变远低于纯剪切情形下的平均等效断裂应变。(3)在超景深三维显微镜下观测各个试样的局部变形和起裂位置,结合数值模拟分析各试样起裂点的应力状态。发现中心孔板试样和剪切板类试样在其起裂处呈现出拉应力作用的特征,剪切板类试样起裂处还伴有一定程度的受剪特征,空心缺口圆管试样的起裂位置则表现为明显的纯剪切状态。(4)对所有试验均进行了模拟,在确保模拟合理性的前提下,提取各试样在起裂点处的应力和应变信息进行分析。结果发现该材料在应力三轴度为0时对应着较大的断裂应变,而在应力三轴度为0.4～0.6之间,断裂应变随应力三轴度的变化呈现先减小后增大的趋势。(5)基于试样起裂点建立该材料断裂应变与Lode参数之间的关系,结果发现材料的断裂应变随Lode参数在-1～0之间的变化是先减小后增大的规律,说明Lode参数对材料的断裂应变有着重要影响。(6)本文采用拟合的J-C断裂准则模拟各个试样的起裂过程,发现利用J-C模型对材料的破坏进行预测在大多数情形下是有效的。但也有失效的情形,意味着J-C断裂模型具有局限性。
【图文】：
为了保证试件的破坏位置尽可能的靠近试件中部，本文设计的试件形式在加持端采逡逑取较大的直径，，而中间工作段则设计得相对小一些，中间工作段与加持端之间设计成变逡逑直径过渡段，具体尺寸如图２－１所示。如此一来，采用两端夹头的位移值来计算材料的逡逑延伸率就会出现较大的误差，为了获得更加准确的材料延伸率，需要用记号笔在试件的逡逑均匀工作段画上刻度线，本文所测得的延伸率是基于４０ｍｍ标距段的伸长量计算得到。逡逑标距段伸长量采用刻度尺测量，断后收缩率指的是试件被拉断后最小截面的收缩率，采逡逑用游标卡尺测量，测量过程采用多次测量取平均值的方法以减小误差。材料的弹性模量、逡逑剪切模量、屈服应力以及抗拉极限等可通过试验的载荷位移曲线处理得到。逡逑１２逡逑
ＨＲＢ４００钢在较低三轴应力下变形破坏试验与数值研究逡逑２．３．１实心光滑圆棒试样的单轴拉伸试验逡逑光滑圆棒试样在单轴拉伸荷载作用下的载荷位移曲线如图２－３所示。通过公式２－１逡逑和公式２－２对载荷位移曲线进行处理来获取材料在简单拉伸条件下的名义应力－应变曲逡逑线。工程上将未变形单位面积上的力称为名义应力，与之相对应的为名义应变，即每单逡逑位未变形长度的伸长率，因此在实际计算中一般还要将名义应力和名义应变转换为相对逡逑应的真应力和真应变，也就是说真应力和真应变的获得需要建立在名义应力和名义应变逡逑的基础上。但是由于材料进入颈缩以后不便于利用引伸计继续测量后续的应变，为此通逡逑过试验所得到的名义应力－名义应变曲线只是圆棒未发生颈缩之前的部分，后续的硬化逡逑曲线需要结合数值模拟进行标定。逡逑Ｆ逡逑ａ媝＝丁逦（２－１）逡逑Ｍ逡逑￡ｍ，ｍ邋￣邋￣逦（２－２）逡逑’０逡逑其中0■＿为名义应力，为名义应力，，为轴向荷载，p何匝跏己峤孛婊义希次匝某跏汲ざ
本文编号：2685134
【图文】：
为了保证试件的破坏位置尽可能的靠近试件中部，本文设计的试件形式在加持端采逡逑取较大的直径，，而中间工作段则设计得相对小一些，中间工作段与加持端之间设计成变逡逑直径过渡段，具体尺寸如图２－１所示。如此一来，采用两端夹头的位移值来计算材料的逡逑延伸率就会出现较大的误差，为了获得更加准确的材料延伸率，需要用记号笔在试件的逡逑均匀工作段画上刻度线，本文所测得的延伸率是基于４０ｍｍ标距段的伸长量计算得到。逡逑标距段伸长量采用刻度尺测量，断后收缩率指的是试件被拉断后最小截面的收缩率，采逡逑用游标卡尺测量，测量过程采用多次测量取平均值的方法以减小误差。材料的弹性模量、逡逑剪切模量、屈服应力以及抗拉极限等可通过试验的载荷位移曲线处理得到。逡逑１２逡逑
ＨＲＢ４００钢在较低三轴应力下变形破坏试验与数值研究逡逑２．３．１实心光滑圆棒试样的单轴拉伸试验逡逑光滑圆棒试样在单轴拉伸荷载作用下的载荷位移曲线如图２－３所示。通过公式２－１逡逑和公式２－２对载荷位移曲线进行处理来获取材料在简单拉伸条件下的名义应力－应变曲逡逑线。工程上将未变形单位面积上的力称为名义应力，与之相对应的为名义应变，即每单逡逑位未变形长度的伸长率，因此在实际计算中一般还要将名义应力和名义应变转换为相对逡逑应的真应力和真应变，也就是说真应力和真应变的获得需要建立在名义应力和名义应变逡逑的基础上。但是由于材料进入颈缩以后不便于利用引伸计继续测量后续的应变，为此通逡逑过试验所得到的名义应力－名义应变曲线只是圆棒未发生颈缩之前的部分，后续的硬化逡逑曲线需要结合数值模拟进行标定。逡逑Ｆ逡逑ａ媝＝丁逦（２－１）逡逑Ｍ逡逑￡ｍ，ｍ邋￣邋￣逦（２－２）逡逑’０逡逑其中0■＿为名义应力，为名义应力，，为轴向荷载，p何匝跏己峤孛婊义希次匝某跏汲ざ
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