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(xì)節(jié)處的初始細(xì)觀缺陷，這些細(xì)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(jī)制則是初始缺陷從細(xì)觀到宏觀的跨尺度演化。目前，由于我們對(duì)構(gòu)件、結(jié)構(gòu)損傷演化的內(nèi)在物理機(jī)制認(rèn)識(shí)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(xì)觀尺度描述細(xì)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(duì)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(xì)觀物理機(jī)制出發(fā)，采用宏、細(xì)觀相結(jié)合的方法建立的損傷表征變量，對(duì)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(jìn)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(jìn)行細(xì)觀缺陷重構(gòu)，建立含細(xì)觀缺陷的焊接結(jié)構(gòu)損傷分析的有限元模型，在對(duì)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(xì)觀缺陷演化的形態(tài)特征，并考察初始缺陷的含量對(duì)結(jié)構(gòu)局部細(xì)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(xì)觀裂紋主導(dǎo)階段的損傷行為，基于細(xì)觀裂紋擴(kuò)展中的分形特征，建立了分形損傷變量。通過對(duì)比焊接構(gòu)件單軸拉伸下的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果相一致，同時(shí)分形損傷變量對(duì)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(xì)觀裂紋擴(kuò)展引起的損傷演化的合理性和正確性。其次由于細(xì)觀裂紋的萌生始于細(xì)觀孔洞開始聚合形成細(xì)觀裂紋帶，為了描述包含細(xì)觀孔洞主導(dǎo)和細(xì)觀裂紋主導(dǎo)兩個(gè)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(xì)觀孔洞主導(dǎo)階段的損傷行為，當(dāng)損傷達(dá)到細(xì)觀孔洞臨界聚合體積分?jǐn)?shù)時(shí)，標(biāo)志著損傷的物理形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)觀裂紋，進(jìn)一步使用細(xì)觀裂紋擴(kuò)展過程中的分形維數(shù)描述細(xì)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(xì)觀孔洞和細(xì)觀裂紋分別作為焊接損傷區(qū)中的初始缺陷形態(tài)時(shí)對(duì)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(xì)觀缺陷重構(gòu)結(jié)果建立了焊接構(gòu)件有限元模型。對(duì)焊接構(gòu)件損傷演化過程進(jìn)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(xì)觀孔洞時(shí)，損傷演化過程經(jīng)歷了細(xì)觀孔洞主導(dǎo)階段和細(xì)觀裂紋主導(dǎo)階段;在累積塑性應(yīng)變達(dá)到0.018時(shí)，焊接損傷區(qū)中的損傷的物

6、理形態(tài)由細(xì)觀孔洞轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)觀裂紋，細(xì)觀孔洞階段的損傷演化速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于細(xì)觀裂紋階段;其次，對(duì)比初始缺陷分別為細(xì)觀孔洞和細(xì)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(xì)觀孔洞會(huì)對(duì)后續(xù)細(xì)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(duì)損傷演化后期速率確有影響。
　　為了進(jìn)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(xiǎn)區(qū)域?yàn)橄孪覘U節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的連接面上，進(jìn)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(diǎn)連接面，由焊接損傷區(qū)一端向另一端擴(kuò)展。通過控制初始損傷來實(shí)現(xiàn)對(duì)初始缺陷含量的設(shè)置，當(dāng)初始缺陷均為細(xì)觀孔洞時(shí)，缺陷含量對(duì)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(huì)在損傷演化后期提升焊接損傷區(qū)處細(xì)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(duì)后期結(jié)構(gòu)整體宏觀力學(xué)性能影響不明顯，可以在實(shí)際工程計(jì)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(jī)制出發(fā)，闡述從初始缺陷出發(fā)的損傷演化機(jī)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