含初始缺陷的焊接結(jié)構(gòu)損傷演化致破壞的數(shù)值分析.pdf

1、焊接結(jié)構(gòu)的損傷演化過程往往起始于焊接細節(jié)處的初始細觀缺陷，這些細觀缺陷在結(jié)構(gòu)服役過程中經(jīng)過損傷演化逐漸發(fā)展到宏觀尺度，最終可能導(dǎo)致構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的失效。這一過程宏觀上表現(xiàn)為構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能不斷下降，其內(nèi)在的物理機制則是初始缺陷從細觀到宏觀的跨尺度演化。目前，由于我們對構(gòu)件、結(jié)構(gòu)損傷演化的內(nèi)在物理機制認識還不夠充分，這直接導(dǎo)致?lián)p傷演化的表征方法大多停留在單一尺度上，或是單一的細觀尺度描述細觀缺陷物理形態(tài)，或是單一的宏觀尺度描述損傷導(dǎo)致的力

2、學(xué)性能衰退，缺乏完善的損傷跨尺度表征方法;另一方面，絕大多數(shù)焊接結(jié)構(gòu)損傷分析中忽略了初始缺陷的作用及其對結(jié)構(gòu)整體和局部損傷演化規(guī)律的影響。因此，本文首先從焊接構(gòu)件或結(jié)構(gòu)損傷的細觀物理機制出發(fā)，采用宏、細觀相結(jié)合的方法建立的損傷表征變量，對考慮焊接損傷區(qū)初始缺陷的焊接構(gòu)件的損傷演化方程和本構(gòu)關(guān)系進行探討;其次，在焊接結(jié)構(gòu)中依據(jù)X-CT缺陷掃描結(jié)構(gòu)進行細觀缺陷重構(gòu)，建立含細觀缺陷的焊接結(jié)構(gòu)損傷分析的有限元模型，在對考慮初始缺陷的焊接鋼結(jié)構(gòu)損

3、傷演化分析后，探討考慮初始缺陷的焊接鋼結(jié)構(gòu)或構(gòu)件損傷演化過程的規(guī)律和細觀缺陷演化的形態(tài)特征，并考察初始缺陷的含量對結(jié)構(gòu)局部細節(jié)損傷演化過程的影響。具體而言，本文完成的主要工作和研究結(jié)果包括:
　　首先為了描述細觀裂紋主導(dǎo)階段的損傷行為，基于細觀裂紋擴展中的分形特征，建立了分形損傷變量。通過對比焊接構(gòu)件單軸拉伸下的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn):模擬得到的焊接損傷區(qū)損傷分布和斷口形貌均與試驗結(jié)果相一致，同時分形損傷變量對損傷的表征結(jié)果

4、與傳統(tǒng)宏觀表征結(jié)果吻合較好，從而確定了使用分形維數(shù)描述由細觀裂紋擴展引起的損傷演化的合理性和正確性。其次由于細觀裂紋的萌生始于細觀孔洞開始聚合形成細觀裂紋帶，為了描述包含細觀孔洞主導(dǎo)和細觀裂紋主導(dǎo)兩個階段的損傷演化過程，借鑒并使用GTN模型中孔隙率的方式描述細觀孔洞主導(dǎo)階段的損傷行為，當(dāng)損傷達到細觀孔洞臨界聚合體積分數(shù)時，標志著損傷的物理形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧氂^裂紋，進一步使用細觀裂紋擴展過程中的分形維數(shù)描述細觀裂紋主導(dǎo)階段的損傷行為。
　

5、　在建立了合適的損傷表征方法后，為了探討細觀孔洞和細觀裂紋分別作為焊接損傷區(qū)中的初始缺陷形態(tài)時對焊接構(gòu)件加載過程中損傷演化規(guī)律的影響，將分形損傷變量和體積-分形損傷變量嵌入到材料本構(gòu)方程中，并基于焊接損傷區(qū)細觀缺陷重構(gòu)結(jié)果建立了焊接構(gòu)件有限元模型。對焊接構(gòu)件損傷演化過程進行數(shù)值模擬的結(jié)果發(fā)現(xiàn):當(dāng)焊接損傷區(qū)中的初始缺陷為細觀孔洞時，損傷演化過程經(jīng)歷了細觀孔洞主導(dǎo)階段和細觀裂紋主導(dǎo)階段;在累積塑性應(yīng)變達到0.018時，焊接損傷區(qū)中的損傷的物

6、理形態(tài)由細觀孔洞轉(zhuǎn)變?yōu)榧氂^裂紋，細觀孔洞階段的損傷演化速度要遠遠小于細觀裂紋階段;其次，對比初始缺陷分別為細觀孔洞和細觀裂紋兩種情況下的焊接損傷區(qū)損傷演化過程，發(fā)現(xiàn)細觀孔洞會對后續(xù)細觀裂紋的演化速率起到一定的削弱，這表明初始缺陷的物理形態(tài)對損傷演化后期速率確有影響。
　　為了進一步分析大型結(jié)構(gòu)在復(fù)雜工況下從初始缺陷演化開始致使結(jié)構(gòu)整體失效的損傷演化過程，建立了考慮初始缺陷的大跨橋梁鋼箱梁結(jié)構(gòu)中的典型加勁桁架結(jié)構(gòu)有限元模型。模擬鋼桁

7、架在位移和力控制的循環(huán)荷載作用下的損傷演化過程，來分析考慮焊接損傷區(qū)和母材初始缺陷后，結(jié)構(gòu)整體以及局部的損傷分布和損傷的演化規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn):結(jié)構(gòu)的危險區(qū)域為下弦桿節(jié)點與斜腹板連接的焊接損傷區(qū)處，損傷較大值出現(xiàn)在焊接損傷區(qū)與節(jié)點的連接面上，進而可以確定結(jié)構(gòu)局部的失效路徑是沿著焊接損傷區(qū)與節(jié)點連接面，由焊接損傷區(qū)一端向另一端擴展。通過控制初始損傷來實現(xiàn)對初始缺陷含量的設(shè)置，當(dāng)初始缺陷均為細觀孔洞時，缺陷含量對不同損傷主導(dǎo)形式階段的演化速率沒

8、有明顯的影響，但較大的初始缺陷含量會在損傷演化后期提升焊接損傷區(qū)處細觀裂紋的分布范圍，并使得結(jié)構(gòu)局部失效路徑呈現(xiàn)多樣化。與焊接損傷區(qū)處初始缺陷相比，母材中的初始缺陷對后期結(jié)構(gòu)整體宏觀力學(xué)性能影響不明顯，可以在實際工程計算中忽略。
　　綜上所述，文中建立的損傷表征變量從金屬延性斷裂的物理機制出發(fā)，闡述從初始缺陷出發(fā)的損傷演化機制和規(guī)律，并使損傷的表征結(jié)果具有鮮明的物理意義。結(jié)果表明:局部焊接損傷區(qū)中初始缺陷在復(fù)雜應(yīng)力水平下經(jīng)歷物理形