基于钢材单轴拉伸试验的微观断裂模型预测规律分析

基于钢材单轴拉伸试验,提出了关于拉伸试验数据和真实应力应变曲线的修正方法.开发了VGM模型和SMCS模型的USDFLD用户子程序,用于微观断裂模型的有限元模拟,分析了应力三轴度对等截面和非等截面构件微观断裂模型预测结果的影响.结果表明,进行等截面构件的本构曲线拟合时应同时考虑颈缩点真实应力和断裂点真实应力的修正.受应力三轴度的影响,在等截面拉伸条件下SMCS模型预测的断裂位移普遍小于VGM模型.非等截面拉伸条件下应力三轴度的变化趋势多样,SMCS模型预测两板相交构件的断裂变形量远大于VGM模型,前者为后者的3.10倍.当拉伸构件存在多个断裂危险点时,VGM模型与SMCS模型的启裂点出现于不同位置处,建议以VGM模型预测位置为准.

钢管-节点板T形受弯连接韧性断裂及极限承载力分析

建立了钢管-节点板T形连接有限元模型,采用基于微观断裂机制的空穴扩张模型(VGM)对钢管-节点板T形受弯连接进行韧性断裂预测,预测的断裂位置及断裂荷载与试验结果基本一致,验证了空穴扩张模型的断裂判据.结合基于VGM的连续损伤模型,编制VUMAT用户子程序,对钢管-节点板T形受弯连接的韧性断裂扩展进行了数值模拟,确定连接的最终失效模式为冲剪作用导致的钢管管壁的撕裂破坏,该失效模式及其对应的极限承载力与试验结果相符.比较了钢管-节点板T形受弯连接发生过大塑性变形和冲剪破坏2种极限状态对应的极限承载力,结果表明所研究的钢管-节点板T形受弯连接的抗弯承载力由其变形极限状态控制.

T型圆钢管相贯节点超低周疲劳断裂及极限承载力分析

根据试验建立了T型圆钢管相贯节点有限元模型,采用基于微观断裂机制的循环空穴扩张模型CVGM(cyclic void growth model)对T型圆钢管相贯节点进行韧性断裂预测,预测的断裂位置及断裂荷载与试验结果基本一致,验证了循环空穴扩张模型的准确性。结合基于CVGM的断裂扩展模型,编制VUMAT用户子程序,对T型圆钢管相贯节点的韧性断裂扩展进行了数值模拟,确定连接的最终失效模式为热影响区的撕裂破坏,该失效模式及其对应的极限承载力与试验结果相符。

锈蚀对钢材低周疲劳性能的影响分析

以我国钢桥结构中使用较多的Q345钢材为例,对人工加速锈蚀试样进行2种应变幅下的低周疲劳试验研究.应用精细的有限元模型分析,基于微观断裂判据——循环空穴扩张模型(CVGM),对锈蚀钢材的低周疲劳断裂机理进行分析,讨论蚀坑对钢材低周疲劳(LDF)寿命的影响机理,并验证方法的有效性.结果表明,质量损失率约为6%的锈蚀Q345钢材试样的低周疲劳寿命比无锈蚀钢材减少约30%;完好试样与锈蚀试样的稳定滞回环形状几乎相同,锈蚀对钢材承载能力影响较小;在1%应变幅作用下,试样破坏现象为脆性的低周疲劳破坏,而在2.5%应变幅作用的循环荷载下,试样发生延性的超低周疲劳破坏.锈蚀引起钢材超低周疲劳寿命下降程度与蚀坑位置的应变集中有关,随着应变集中程度的增加,疲劳寿命的下降增大.

坑蚀对结构钢材低周疲劳性能的影响

为研究坑蚀对钢材低周疲劳性能的影响,以中国常用的结构钢材Q345为例,通过有限元分析并基于微观断裂判据循环空穴扩张模型(CVGM),对坑蚀钢材试件进行低周疲劳断裂预测,并通过与完好试件的结果对比,分析了蚀坑对钢材低周疲劳寿命的影响机理。在此基础上,研究了蚀坑的几何特征、分布形式以及荷载的应变幅等因素对钢材低周疲劳寿命的影响规律。结果表明:由于蚀坑断裂起始点等效塑性应变的加倍累积,与均匀锈蚀相比,蚀坑的存在更显著地改变了钢材的应力分布,进而降低其低周疲劳寿命,降低幅度可达50%以上;蚀坑深度和直径分别达到截面宽度的5%和厚度的20%以上时,断裂起始点的等效塑性应变随蚀坑深度增大而增加,低周疲劳寿命相应减小;多蚀坑试件的低周疲劳寿命总体上比单蚀坑试件明显降低,降幅为20%~30%;随应变幅增大,坑蚀对钢材低周疲劳性能的影响逐渐增大;基于强度等效原则的等效厚度设计方法无法反映坑蚀对钢材低周疲劳性能的影响。

X形圆钢管相贯节点焊缝断裂预测及承载力分析

为了验证应力加权损伤模型(SWDM)对相贯节点在单调荷载作用下延性断裂预测的适用性,对正交设计的23个X形圆钢管相贯节点进行有限元分析。应用空穴扩张模型(VGM)和SWDM,得到了荷载和断裂点损伤度曲线,通过洛德角参数的变化,分析了断裂点的应力状态,对比了VGM和SWDM预测结果;运用ABAQUS子程序模拟了焊缝破坏过程,分析了节点几何参数对焊缝承载力的影响。结果表明:SWDM预测的断裂荷载要低于VGM,断裂点的应力状态是由轴对称拉伸或压缩状态向平面应变状态的趋势变化,通过引入洛德角参数,SWDM能准确地模拟节点在不同应力状态下的损伤累积,预测精度高于VGM,适用性更好;焊缝的开裂始于鞍点处,并迅速向冠点发展,导致节点破坏;节点支主管壁厚一定时,支主管外径比和主管径厚比越大,焊缝承载力越低;《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)中焊缝承载力计算公式未考虑焊缝受力不均匀的影响,计算结果会出现偏不安全的情况。

基于微观机理的梁柱节点焊接细节断裂分析

为预测钢结构焊接节点在地震作用下的延性断裂,开展了微观机理断裂模型的标定和验证工作。空穴扩张模型VGM和应力修正临界应变模型SMCS,将延性断裂的微观机理(空穴形核、扩张和聚合)与宏观的应力-应变场结合了起来。利用已有的缺口圆棒拉伸试验,辅以有限元分析,标定了Q345钢材母材、焊缝和热影响区3种材料的VGM和SMCS模型参数。进行了7个梁柱节点局部焊接试件的拉伸试验,测得了试件的断裂伸长量。建立了试件的精细实体有限元模型,分别采用断裂力学J积分方法和VGM、SMCS模型预测试件的断裂伸长量,并与试验结果进行比较。结果表明,VGM和SMCS模型预测焊接节点延性启裂的准确性较好,而J积分方法过于保守。该文为钢结构焊接节点的延性断裂预测提供了一种仅依赖于材料属性的普适性方法。