含物理缺陷薄壁鋼構(gòu)件的穩(wěn)定性理論與應用.pdf

1、本文采用局部一整體相結(jié)合的方法，建立了一套分析含裂紋薄壁鋼構(gòu)件的穩(wěn)定性理論。并系統(tǒng)地研究了裂紋對受壓薄壁鋼構(gòu)件的彈性屈曲行為和極限承載力的影響。其中整體受壓柱按一維問題分析，裂紋所在的局部按三維問題分析。本文獲得的一系列非常有用的理論結(jié)果，為推動含物理缺陷鋼結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性評估奠定了必要的理論基礎(chǔ)。本文首先回顧和分析了近代薄壁結(jié)構(gòu)非線性穩(wěn)定性理論的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，闡明了本研究的理論意義和應用前景。然后，采用面場近似分析方法(CSSF

2、)求得了含中心裂紋薄壁構(gòu)件應力強度因子的解析表達式。再采用Rayleigk-Ritz能量變分法，分別按照平面裂紋模型和空間裂紋模型計算得到了含裂紋偏心受壓柱的彈性撓度的級數(shù)解和最大撓度的通用解析解。最后，利用以上最大撓度解析解，推導了含裂紋受壓柱平衡路徑的控制方程，提出了一個帶裂紋軸壓柱彈性屈曲全過程的平衡路徑模型，并進一步推導了利用雙參數(shù)準則確定極限承載力的完備方程。本文還研究了利用位移引伸計測定薄板材料單軸損傷演化曲線的試驗方法，提

3、出了一種標定材料非線性塑性損傷參數(shù)的數(shù)值迭代擬臺方法，并探討了損傷力學在鋼結(jié)構(gòu)彈塑性穩(wěn)定性分析中的應用問題。
　　 本研究主要工作和成果包括：⑴提出了求解薄壁構(gòu)件的應力強度園子的裂紋面場近似分析方法(CSSF)，并取得了常見薄壁構(gòu)件無量綱應力強度因子的兩個通用解析表達式。CSSF方法的要點是，先基于三維有限元計算分析的結(jié)果和無限大中心裂紋板的全場或近場應力解析公式，構(gòu)建薄壁構(gòu)件沿裂紋所在截面正應力的分布模型；然后利用構(gòu)件的平衡條

4、件確定無量綱應力強度因子。與現(xiàn)有的數(shù)值結(jié)果比較表明，這些解析解不僅形式簡單，而且結(jié)果可靠。⑵采用Rayleigh-Ritz能量變分法，分別按照平面裂紋模型和空間裂紋模型計算獲得了古裂紋偏心受壓柱的彈性撓度的級數(shù)解，特別是，取得了最大撓度的通用解析解。這對于解析研究受壓構(gòu)件彈性屈曲行為、確定極限承載力是非常重要的基礎(chǔ)。與現(xiàn)有轉(zhuǎn)動彈簧模型和等效截面剛度方法相比，該解的主要優(yōu)點是可以考慮柱在軸向壓力作用下裂紋的閉臺效應。⑶利用偏心柱最大撓度解

5、析解，推導了含裂紋偏心柱平衡路徑的控制方程，首次提出了一個帶裂紋軸壓柱彈性屈曲全過程的平衡路徑模型。該模型首次揭示了裂紋對軸心受壓柱穩(wěn)定性的影響機理：當橫向干擾位移大于一定程度時，裂紋才對軸壓柱臨界荷載有影響；當橫向干擾位移小于一定程度時，裂紋只對軸壓柱的屈曲后過程有作用，而對臨界荷載無影響。從而指出了現(xiàn)有文獻的一些錯誤結(jié)論。⑷在建立含裂紋偏心拄的屈服荷載方程和斷裂極限荷載方程后，進一步推導了利用屈服一斷裂雙參數(shù)準則確定結(jié)構(gòu)極限承載力的

6、完備方程，并研究了各種因素對由邊緣屈服破壞向裂紋擴展破壞轉(zhuǎn)變的臨界長細比、裂紋相對長度和偏心度的影響規(guī)律。⑸針對含邊裂紋T形截面柱和帶多個邊裂紋矩形截面階梯柱兩種復雜情況，本研究求得了彈性撓度解，并建立了相應的屈曲平衡路徑的控制方程和計算程序。⑹建立了一套利用位移引伸計測定薄板材料單軸損傷演化曲線的試驗方法，首次提出了一種標定材料非線性塑性損傷參數(shù)的數(shù)值迭代擬合方法。文中就試樣形狀尺寸的確定、主損傷區(qū)彈塑性大應變的測控和卸載彈性模量的穩(wěn)

7、定性與精確測量等關(guān)鍵測試技術(shù)問題進行了深入細致的分析和實驗研究，并從多角度對該試驗方法的正確性進行了實驗驗證。針對LY12-CZ薄板材料的實驗研究和分析表明，該損傷測試和數(shù)值擬合方法是切實可行的。⑺將冪強化材料模型和塑性損傷的非線性模型同時引入Shanley雙模量理論，改進了彈塑性屈曲荷載的計算方法，推導了求解彈塑性屈曲荷載的選代方程，并采用算例進行了分析討論。⑻系統(tǒng)分析了裂紋對薄壁截面柱彈性撓度和極限承載力的影響規(guī)律和程度，考查了平面