一种基于残余应变的混凝土疲劳损伤模型

介绍了混凝土在承受疲劳荷载时内部微裂纹的扩展规律,根据疲劳损伤变形的3阶段特征,可知混凝土内部微裂纹的扩展是导致其疲劳损伤的本质原因,提出了残余应变可作为建立疲劳损伤模型的基础。研究并介绍了混凝土疲劳损伤破坏时峰值应变εunstab的确定、等幅或变幅荷载作用下残余应变ε残和总应变ε总的计算理论。根据疲劳等效累积原则和混凝土疲劳残余应变的计算理论,推导出混凝土在疲劳荷载作用下基于残余应变的疲劳损伤模型,并提出了建立混凝土疲劳损伤模型需要进一步研究的重点和难点。

考虑初始损伤的脆性疲劳损伤模型及验证

疲劳损伤导致的破坏是工程结构最常见的失效形式之一。利用不可逆热力学理论框架和损伤的微观力学,基于脆性损伤的机理,建立了一种新的脆性疲劳损伤模型。新模型推导严密,以应力幅和材料损伤参数为控制变量,考虑了材料的初始损伤,并以12Cr1Mo V钢为例进行实验验证。结果表明:新模型包含了初始损伤变量,可以用来估算材料的初始损伤;新模型在疲劳过程的初期,损伤很小时,相比同类型疲劳损伤模型具有显著优势,同时新模型能够应用于脆性材料疲劳损伤的寿命预测;新模型比同类型疲劳损伤模型形式简单、参数少,且与实验结果符合的更好。

半刚性基层疲劳损伤模型及寿命预估

基于临界损伤值DC不等于1的基本假定,借助损伤力学理论建立半刚性基层的疲劳损伤模型,并结合脆性材料S-N关系方程,得出了模型参数C的一个新的函数表达式C=1/(alnS+b)。通过疲劳试验对Dc值以及C表达式中的待定系数a、b进行测定,并对多个试件疲劳寿命进行了预估计算。研究结果表明半刚性基层材料Dc值约为0.6。利用建立的损伤模型,在当前损伤量仅为0.3至0.5倍临界损伤值时,即可较早地对试件疲劳寿命进行预估。预估结果与试验结果吻合较好。

微观结构下多晶材料的疲劳损伤模型及裂纹的数值模拟方法

考虑多晶材料疲劳行为受晶粒拓扑结构的影响,建立了多晶材料Voronoi镶嵌的有限元微观结构模型,并在Voronoi边界插入内聚力单元模拟晶界特性。在此基础上,基于Abaqus双线性内聚力本构关系,建立了内聚力单元的疲劳累积损伤模型,定义了损伤变量,损伤判据以及损伤规律;通过Abaqus UMAT(User-defined material mechanical behavior)子程序编写了内聚力单元疲劳损伤的数值计算程序,实现了对微观结构下材料滚动接触疲劳裂纹萌生与扩展的行为模拟。以滚子与滚道的接触疲劳分析为例,将数值模拟结果与实测结果相比,表明了该数值仿真方法模拟多晶材料裂纹形成和扩展的有效性。

基于疲劳损伤模型的钢筋混凝土梁疲劳可靠度分析

文章基于具有物理机制的混凝土疲劳损伤演化模型,根据物理随机系统的基本观点,确立混凝土随机疲劳损伤本构模型的基本随机参数;通过统计识别1批混凝土单轴受拉和受压疲劳试验数据,给出基本随机参数的概率分布,从而建立完整的混凝土疲劳损伤本构关系;将混凝土疲劳损伤本构关系与钢筋疲劳损伤本构关系相结合,通过设定受压区混凝土损伤破坏阈值,引入吸收边界条件与概率密度演化理论,评估预应力混凝土梁的疲劳可靠度,从而初步建立混凝土疲劳问题的精细化可靠度分析框架。

单向帘线/橡胶复合材料的疲劳损伤模型与疲劳寿命预报

将不可逆热力学和损伤力学应用于橡胶复合材料的疲劳研究,在大量试验工作的基础上,选择适当的热力学势函数,建立了橡胶复合材料的损伤演变方程和橡胶复合材料的疲劳寿命预报方程。应用本模型对单向橡胶复合材料的疲劳寿命进行了预报,发现理论预测值与试验结果比较符合。

2205双相不锈钢疲劳损伤声发射研究

2205双相不锈钢以其强度高、耐腐蚀、耐高温等优点成为桥梁结构的新兴材料,但其在疲劳荷载下的损伤问题对整体结构安全性能影响很大。为了明确2205双相不锈钢材料在疲劳荷载下的损伤发展情况,本文对3组相同矩形截面试件进行了三种不同应力比的拉伸疲劳损伤试验,同时进行声发射信号采集,通过声发射经历图分析探讨了声发射振铃计数及能量与试件裂缝发展程度的关系,并且采用裕度指标对试验过程进行了评估。结果表明,随着应力比的增大,声发射特征参数的循环周次有了一定的增长,且试件损伤进程放缓;同时裕度评价指标的变化范围逐渐减小,说明该指标可以较好地表征试件的疲劳损伤发展情况。基于试验和分析结果建立声发射累计振铃计数-疲劳裂纹长度的疲劳损伤模型,通过该模型得出的计算裂纹与实际裂纹发展趋势较为吻合。故本文研究成果可为2205双相不锈钢材料疲劳损伤检测和评估提供依据。

基于损伤本构的齿轮疲劳模型

在损伤本构模型基础上,依据Lemaitre-Chaboche塑性损伤理论,建立了一种新的齿轮材料疲劳损伤模型,导出了齿轮材料的疲劳寿命理论方程,结果表明基于损伤本构的疲劳损伤模型正确反映了材料属性、三轴应力比、应力幅值水平对疲劳寿命的影响,而且给出了这种新的理论疲劳理论模型算例验证,分析了该模型与传统名义应力S-N曲线形式的统一性,为预测齿轮材料的寿命提供了一种新的途径。

考虑残余变形影响的混凝土疲劳损伤本构模型

从分析混凝土材料的基本损伤机制出发,考虑疲劳荷载作用下混凝土的损伤累积和残余变形,推导了由Helmholtz自由能表示的混凝土本构方程,根据变分原理建立了基于能量的混凝土疲劳损伤本构模型.并根据疲劳过程中残余变形的发展规律,定义了物理意义明确的残余变形影响因子,并将其与混凝土变形模量损伤因子一同融入混凝土疲劳损伤本构模型中,为混凝土疲劳行为的计算机分析提供了一种更为精确、简化的混凝土疲劳本构模型.试验数据和数值算例的对比误差不超过3%,从而验证了该模型的准确性与适用性.

一种混凝土疲劳损伤模型及其有限元实现

混凝土结构在疲劳荷载作用下材料行为会发生变化,损伤的累计对结构产生不利的影响,本文提出了一种简单合适的疲劳损伤模型,并应用ABAQUS有限元软件编写UMAT用户子程序将模型数值化实现,该模型能考虑拉压行为的差异、复杂应力状态和低应力水平疲劳荷载作用下的损伤累计。本文合理调整模型中的材料参数,得出:在单轴拉伸和压缩荷载作用下,该模型的应力应变关系曲线与混凝土规范规定的曲线基本一致;在简单疲劳荷载作用下,损伤随疲劳荷载作用次数的增加有明显的两个阶段,刚开始缓慢增长,损伤累计到一定程度时快速增长;随着应力水平的降低,混凝土材料的疲劳寿命明显增长。本文提出的疲劳损伤模型,结合数值模拟方法,对于研究混凝土结构在疲劳荷载作用下,损伤累计和应力重分布特点以及损伤累计对结构的整体受力性能的影响等具有一定的意义。

基于剩余强度退化的膨胀土非线性疲劳损伤模型

通过在室内进行膨胀土的常规直剪和干湿循环试验,探讨了低应力条件下膨胀土的黏聚力随循环次数、循环幅度的变化规律;运用损伤力学的研究方法,基于剩余黏聚力定义损伤变量,据此建立了反映循环次数和循环幅度变化的非线性疲劳损伤模型。研究结果表明:在相同循环幅度和初始控制含水率下,膨胀土的剩余黏聚力随循环次数的增加而衰减;在相同循环次数和初始控制含水率下,膨胀土的剩余黏聚力随循环幅度的增加而衰减;利用室内简单试验建立的非线性疲劳损伤模型可以用来计算干湿循环作用下膨胀土的损伤度。

沥青路面非线性疲劳损伤特性及应力状态演变规律

运用通用有限元软件ABAQUS及其二次开发平台,建立考虑路面材料非线性疲劳损伤的沥青路面结构数值计算模型,分析沥青路面结构在车辆荷载反复作用下路面结构损伤的空间分布、演化规律以及路面结构内部水平正应力的空间分布与演化规律。研究结果表明:路面结构损伤主要分布在双轮中心线下靠近基层与底基层层底的区域,随着荷载作用次数增加,基层层底与底基层层底损伤度均增加,且增加幅度逐渐增大;双轮中心线下靠近基层与底基层层底区域,考虑损伤的路面结构相比无损路面结构,层底水平拉应力均有所减小,且随荷载作用次数增加,水平拉应力逐渐减小,减小的幅度逐渐增大。研究结果可用于路面维修养护中路面破坏区域及程度的判断,以及路面设计研究中设计指标的确定。

基于断裂力学的钢筋疲劳损伤本构模型研究

基于钢筋内部疲劳裂纹的扩展规律,利用断裂力学知识建立了钢筋的疲劳损伤本构模型,该模型中疲劳损伤变量是一个与钢筋直径、应力幅、应力比、屈服强度、极限强度、材料断裂韧性相关的函数。提出了由弹性预测、塑性修正、损伤更新三个步骤组成的钢筋疲劳损伤本构模型的数值算法。结果表明:将钢筋的疲劳本构模型开发为子程序,与通用有限元程序搭建接口,得到的有限元预测值与试验值吻合良好;同时模型所估算出的钢筋疲劳寿命与试验结果较为接近,验证了模型的合理性。

浇注式沥青混凝土疲劳损伤分析

根据应力等效假设,以劲度模量作为浇注式沥青混凝土疲劳损伤参量,将浇注式沥青混凝土劲度模量损伤因子增量随加载次数的累积过程分为3个阶段,并将宏观力学性能发生剧烈变化的第3阶段定义为浇注式沥青混凝土疲劳裂缝出现区域.通过对不同温度下浇注式沥青混凝土疲劳损伤试验结果的分析,定义了浇注式沥青混凝土疲劳破坏时的损伤因子为临界损伤因子,分析得到了浇注式沥青混凝土疲劳破坏时损伤因子与疲劳寿命之间的幂函数关系,建立了考虑温度因素的疲劳损伤模型.

路面材料疲劳损伤分析及疲劳寿命预估

针对路面结构在车辆荷载作用下的疲劳损伤演化及疲劳寿命,运用损伤力学相关理论建立梁式结构的疲劳损伤演化模型,并结合小梁疲劳试验,分析路面材料小梁试件在重复加载下的疲劳损伤演化规律及疲劳寿命。结果表明,对于沥青混合料、水泥稳定碎石、二灰土3种材料而言,当疲劳损伤演化模型指数p分别取4.0、7.2、6.3时,理论分析得到的小梁跨中挠度和疲劳寿命与试验结果比较接近;对于3种材料的小梁试件,随着荷载循环次数的增加,小梁底缘中点的损伤度逐渐增加,且增加的幅度逐渐增大,体现出非线性变化的规律;随着荷载循环次数的增加,小梁跨中挠度逐渐增加,且增加的幅度逐渐增大,与损伤度的变化规律一致。

基于应变强度理论的岩石疲劳损伤本构模型

针对岩石疲劳损伤的本构模型问题,通过分级加卸载试验。根据所得到应力应变曲线,分析其疲劳特征,根据应变强度理论,建立岩石疲劳损伤本构模型;使用Levenberg-Marquardt算法拟合得到本构的参数值,并对参数演化进行分析。研究表明:(1)随着试验进行,岩石残余应变逐渐累积,应力应变曲线和滞回环位置逐渐右移;(2)拟合参数与应力峰值有关,呈现有规律的变化;(3)根据应变强度理论建立的疲劳损伤本构模型能够较好地描述岩石在加卸载情况下的应力应变变化关系。

基于修正韧性耗散损伤的非线性疲劳可靠性分析

在反复循环荷载作用下构件或材料易出现疲劳损伤,导致结构出现突发性疲劳脆性破坏,故需对构件或材料的疲劳损伤进行精确评价,避免灾害性事故发生。但现有的疲劳损伤评价模型为了简化分析,常忽略了荷载顺序和相互作用等效应,使得疲劳损伤分析精度不足,为此,需对构件或材料的疲劳损伤模型进行改进,使其能够精确评价疲劳损伤。基于叶笃毅提出的疲劳损伤模型,推导材料的多级疲劳损伤模型。在此基础上,通过提出对数应力平方比的幂函数等效形式来考虑荷载相互作用效应,并应用所提等效规则,结合叶笃毅多幅级疲劳模型,推导多级载荷作用下非线性疲劳损伤累积改进模型,使疲劳模型能够考虑多级荷载的顺序和相互作用效应。基于所提改进模型建立材料疲劳极限状态方程,应用概率密度演化方法对极限状态方程进行求解,并建立求解过程,分析得到材料非线性时变疲劳可靠度。最后采用材料疲劳试验对所提模型在疲劳寿命预测和可靠度分析中的准确性进行验证。研究结果表明:所建立的模型疲劳寿命预测误差最小可达1%,可靠度分析精度提高30%,表明模型具有更高精度,能够应用于工程实际。

装配式建筑连接构件疲劳损伤智能检测方法研究

为克服传统构件疲劳损伤检测方法存在的灵敏度低、检测耗时长的问题,研究以提高检测效果为目的,借助超声波辅助技术设计了一种新的装配式建筑连接构件疲劳损伤检测方法。针对装配式建筑连接构件的特殊性,定义装配式建筑连接构件的损伤变量,并建立连接构件疲劳损伤累积模型。然后引入疲劳损伤线性累积理论计算构件的初始极限强度,在此基础上,将构件应力应变关系与超声波动方程有机结合,得到超声波在构件中传播的非线性效应,从而实现对构件疲劳损伤的检测。实验结果表明:该方法可从检测灵敏度、检测耗时、检测准确度3个角度有效提高检测性能和效果。

多孔低噪路面沥青混合料承载疲劳预测仿真

采用已有方法预测沥青混合料的承载疲劳时,忽略了对沥青混合料已有损伤的分析,导致沥青混合料裂纹扩展角、裂纹深度和裂纹长度的预测结果不准确,应用有效性较差。现提出多孔低噪路面沥青混合料承载疲劳预测方法。设定多孔低噪路面的疲劳损伤参量,建立沥青混合料的疲劳损伤累积模型。分析荷载作用下多孔低噪路面沥青混合料产生的疲劳损伤,并以此为依据预测沥青混合料的承载疲劳。仿真结果表明,所提方法可精准的预测裂纹扩展角、裂纹深度和裂纹长度,实验结果验证了所提方法的整体应用有效性。

基于支持向量机的机械活塞疲劳信号检测方法

为避免机械活塞工作疲劳导致设备出现故障的问题,提出基于支持向量机的机械活塞疲劳信号检测方法。首先对机械活塞结构及工作原理进行分析,了解机械负载状态下活塞产生疲劳信号的原因,获取与疲劳信号相关的参数;然后将这些参数代入活塞理论损伤模型中,建立描述疲劳信号释放过程的疲劳损伤模型;最后在模型拟合端结合支持向量机,对疲劳信号进行分类,实现机械活塞疲劳信号的精准检测。试验结果表明,所提方法检测效率高、检测率高,具有一定应用价值。