不同断裂模型在钢结构断裂破坏预测中的比较

为对比分析不同断裂模型在钢结构断裂破坏预测中的适用性,选取3类典型的断裂模型（微孔扩展模型、GTN模型、连续损伤模型）对钢结构的断裂破坏进行预测分析。首先基于试验数据标定了Q345钢材以及焊缝金属的断裂模型参数,然后将这3类断裂模型通过ABAQUS的用户子程序嵌入到有限元分析程序中,最后将这3类模型应用到开孔板以及梁柱焊接节点的断裂破坏分析中。结果表明:3类模型均能很好地预测开孔板和节点裂纹的起始和发展过程;3类模型对于开孔板断裂位移的预测精度相当,但对于相对复杂的梁柱焊接节点,GTN模型对裂纹起始位移的预测精度明显高于其他2类模型。     

基于相场法的花岗岩弹塑性损伤模型及其细观力学行为研究

花岗岩的细观非均质性对其损伤破坏行为有着重要影响。基于热力学原理和力与能量平衡方程,在经典相场模型框架内引入适合岩石类材料的非关联塑性本构关系,构建弹塑性相场模型,通过与解析解和试验数据对比,验证了其正确性和可靠性。在此基础上,采用数字图像处理建立符合真实细观结构的花岗岩非均质数值模型,并对其三轴压缩试验进行数值模拟,在细观尺度预测其宏观力学行为以及分析岩石裂纹扩展机制。研究结果表明：通过与试验数据和传统弹脆性相场模拟结果对比,建立的基于花岗岩真实细观结构的弹塑性相场模型可以很好地捕捉其宏观非线性力学行为;花岗岩的内部裂纹的起裂、扩展以及局部应力场的分布会受到矿物颗粒的力学性质、几何形状及分布的影响。该研究方法为今后研究岩石多尺度损伤破坏问题提供一种简单有效的途径,对评价地下工程中围岩力学性质有着重要的工程实践意义。     

钢框架梁柱节点焊缝损伤性能研究Ⅱ：理论分析和有限元模拟

采用断裂力学理论,依据9个钢框架全焊接梁柱节点局部试件的单向拉伸试验结果,对节点试件的焊缝损伤进行了理论分析和有限元模拟。理论计算表明,简化计算式能够简洁地反映节点开裂情况,但对约束条件、裂纹尺寸的简化会影响计算精度。有限元分析结果表明,焊接孔附近的应力集中和热影响区材料的退化导致节点焊缝断裂易发生在梁腹板焊缝位置和梁翼缘焊缝热影响区,两处开裂概率接近,与试验结果吻合;试件开裂位置由初始缺陷的尺寸、位置和材料断裂韧性共同决定;弹塑性有限元分析能够较准确分析试件开裂位置和启裂荷载,精度较高,为研究梁柱节点焊缝损伤性能提供了一种损伤判断方法和准则。     

Study on damage behavior of weld of beam-to-column connection in steel frame 11 ： theoretical analysis and finite element simulation

采用断裂力学理论,依据9个钢框架全焊接梁柱节点局部试件的单向拉伸试验结果,对节点试件的焊缝损伤进行了理论分析和有限元模拟。理论计算表明,简化计算式能够简洁地反映节点开裂情况,但对约束条件、裂纹尺寸的简化会影响计算精度。有限元分析结果表明,焊接孔附近的应力集中和热影响区材料的退化导致节点焊缝断裂易发生在梁腹板焊缝位置和梁翼缘焊缝热影响区,两处开裂概率接近,与试验结果吻合;试件开裂位置由初始缺陷的尺寸、位置和材料断裂韧性共同决定;弹塑性有限元分析能够较准确分析试件开裂位置和启裂荷载,精度较高,为研究梁柱节点焊缝损伤性能提供了一种损伤判断方法和准则。     

复合粘结节点强度—断裂预测模型

减聚力单元在有限元模型中被用以预测粘结节点的破坏，为明确表达减聚力单元，提出了一个新的强度一断裂模型。所提出的模型统一了预测初始破坏的强度标准以及预测破坏进程的断裂标准。通过在黏合剂—黏合剂界面以及粘结元素之间配置减聚力单元，模拟初始和界面破坏过程以及内聚裂缝。有限元表达中包含了黏合剂的几何非线性。通过节点配置的静态平衡预测同期裂缝和路径，结点包括双臂梁、单搭接接头、裂缝剪切搭接等。对这些节点的准静态有限元分析预测和试验结果的定性和定量分析显示，两者比较吻合。     

基于不同强化准则的扩大孔梁柱节点延性断裂预测

钢结构节点的延性损伤破坏行为预测可为工程设计和工程加固提供参考,而材料强化模型的选择会影响到预测结果.以具有一定延性的扩大孔梁柱节点为研究对象,采用ABAQUS有限元隐式分析方法,引入微观机制进行延性断裂预测.考虑长周期地震动作用影响施加2种幅值的大位移常幅循环荷载,基于常用的2种强化准则建模分析,并与对应的既有试验结果相比较,结果表明:基于等向强化准则的模拟结果中刚度退化程度较试验严重,开裂路径的预测也与试验结果有偏差;基于随动强化准则的模拟结果则呈现出相对吻合的态势,开裂起始时间受强化准则的影响不明显.     

断裂力学在钢筋混凝土梁开裂研究中的应用

采用断裂与损伤力学原理分析钢筋混凝土梁的破坏机理,运用有限元分析软件ANSYS模拟混凝土梁破坏过程中裂缝的扩展过程分析应力强度因子在裂纹扩展过程中的变化规律,分析表明断裂与损伤力学在混凝土梁开裂研究中具有一定的可行性。     

基于钢框架梁柱焊接节点超低周疲劳性能的焊接孔构造优化研究

强往复荷载作用可能导致钢框架梁柱节点的焊接孔处发生超低周疲劳(ULCF)断裂,将数值模拟的应力应变状态代入循环孔洞扩张模型(CVGM)是预测ULCF断裂的普遍方法。将上述方法扩展至改进循环孔洞扩张模型(ICVGM),可用于各类焊接孔形节点的断裂预测,给出优化的焊接孔形。为此,基于既有试验数据提出ICVGM参数标定方法,确定Q355钢的相关参数;将ICVGM预测结果与钢框架节点局部试件断裂试验结果进行对比,揭示二者的一致性,验证ICVGM较CVGM的准确性;同时,采用ICVGM获得不同焊接孔形节点的断裂倾向,提出优化建议及合理孔形。有限元参数分析表明：增加焊接孔长度可以降低节点的断裂倾向;采用半圆形及FEMA-350推荐孔形节点的断裂倾向最低;优化孔形使得断裂位置由热影响区转移至母材,从而提高节点延性。     

复合粘结节点强度-断裂预测模型

减聚力单元在有限元模型中被用以预测粘结节点的破坏,为明确表达减聚力单元,提出了一个新的强度-断裂模型。所提出的模型统一了预测初始破坏的强度标准以及预测破坏进程的断裂标准。通过在黏合剂-黏合剂界面以及粘结元素之间配置减聚力单元,模拟初始和界面破坏过程以及内聚裂缝。有限元表达中包含了黏合剂的几何非线性。通过节点配置的静态平衡预测同期裂缝和路径,结点包括双臂梁、单搭接接头、裂缝剪切搭接等。对这些节点的准静态有限元分析预测和试验结果的定性和定量分析显示,两者比较吻合。     

考虑界面的混凝土弹性模量数值模型

由于骨料与水泥浆体的界面对混凝土的力学性能有很大影响，故在混凝土的弹性模量计算中需考虑此界面效应。文中考虑骨料与浆体间界面的几何复杂性，克服传统有限元因界面厚度太小而无法准确模拟的缺点，采用扩展有限元方法以及细观力学对混凝土弹性模量的预测建立了数值模型。最后通过试验结果与模型预测值进行比较，验证了数值模型的有效性。     

Prediction of fracture behavior of beam-to-column welded joints using micromechanics damage model

Moment-resisting steel frames often fail by fracture failure of beam-to-column welded joints during a strong earthquake. This paper provides a numerical methodology based on micromechanics damage model instead of traditional fracture analytical methods to investigate the crack initiation and propagation of welded beam-to-column joints subjected to monotonic loading and ultra low cycle loading conditions. Firstly, parameters used in the micromechanics damage model for steel base metal, heat affected zone and weld metal were calibrated, respectively, against uniaxial tension test results and cycle test results of notched specimens. The evolution of void growth in the notched specimens under different loading conditions was compared. Secondly, fracture process of the welded joints subjected to tensile loading was simulated based on the micromechanics damage model. The predicted load displacement response agrees well with the other researcher's test results. Finally, the micromechanics damage model was applied numerically to investigate the ultra low cycle fatigue fracture behavior of the welded joints under constant amplitude as well as variable amplitude inelastic cyclic loading. According to the distribution and evolution of void in the welded joints obtained from finite element analysis, crack initiation and propagation were presented and the number of cycles to fracture was predicted. It is shown that the fatigue life predicted from finite element analysis based on micromechanics damage model agrees well with the other's test results.     

焊接空间结构节点焊缝拉裂损伤识别

针对焊接空间结构节点易发生损伤和破坏的问题,为了识别焊接空间结构节点焊缝拉裂损伤,建立了节点焊缝拉裂损伤等效模型,考虑到焊接空间结构具有杆件和节点众多的特点,提出了损伤识别两步法。首先建立有焊缝拉裂损伤焊接球节点三维实体有限元模型,划分焊缝裂缝宽度,然后分析不同焊缝裂缝宽度与节点刚度系数之间的关系,最后将所获得的不同裂缝尺寸焊接球节点刚度系数等效为弹簧刚度,施加于结构杆件两端,成为杆端弹簧约束模型,即考虑节点焊缝拉裂损伤的等效有限元模型; 建立等效模型后,采用两步法识别节点焊缝拉裂损伤位置,先对结构分区,用小波分析方法识别结构杆件有节点焊缝拉裂损伤发生的区域,然后基于等效模型提取应变模态作为损伤标示量,在损伤区域内具体定位有节点焊缝拉裂损伤发生的杆件。结果表明:焊缝拉裂损伤等效模型能够模拟实际结构节点焊缝拉裂损伤,所建立的节点焊缝损伤等效模型易于提取损伤标示量,采用两步法能够识别出焊接空间结构节点焊缝拉裂损伤位置。     

Fatigue life evaluation of welded joints considering the local multiaxial stress/strain states and numerically determined residual stresses/strains

This paper puts forward a kind of calculation method of estimating fatigue crack initiation life by considering welding residual stresses as initial stresses. The numerical method could be used to quantitatively analyze the influence of residual stresses on the cumulative fatigue damage. In order to gain the distribution of weld-induced residual stresses, the FE analyses as well as measurements were carried out. Based on critical plane approach, analysis of damage parameters was performed considering both welding residual stress and biaxial loads. Subsequently, validity of the proposed numerical method is verified by analyzing fatigue test results for several typical welded joints. It is concluded that the result of the present method is closer to the experimental value than that obtained with empirical formula method in the estimation of fatigue crack initiation life of welded structures.     

Mode III fracture of a large-scale welded extruded aluminum panel

As part of the research on deformation and fracture of the large-scale welded thin-walled AA 6061 panels, this paper presents the experimental and numerical investigation on its fracture under Mode III loading. The proposed local fracture approach is applied by incorporating the calibrated damage input data into the finite element model. The investigations demonstrate that the present finite element model can successfully predict the global force–deflection response, the deformation modes, as well as the crack formation and propagation, in this quite sophisticated problem involving welded joints.     

随机变幅荷载作用下焊接节点海水腐蚀疲劳裂纹扩展试验

本工作采用国产海上平台用钢的T型和十字形板状焊接节点试件,模拟导管架臂节点的弯曲受力状态,在随机变幅荷载下进行了海水腐蚀疲劳裂纹扩展试验,分别测得在海水自由腐蚀和阴极保护条件下的(~—da/dN)-AK~(NM)关系曲线。对于十字型焊接节点试件,根据试验测得的裂纹扩展速率曲线,用断裂力学方法对其海水腐蚀疲劳裂纹扩展寿命(有阴极保护)进行了估算,估算得到的裂纹扩展寿命曲线与试验数据,以及用线性累积损伤理论估算的寿命曲线,进行了分析比较和讨论。     

Q460D高强钢及其焊缝连接疲劳性能试验研究

在疲劳荷载作用下钢结构焊缝区易发生疲劳断裂,通过Q460D高强钢及其焊缝连接的疲劳性能试验研究,结合试验数据,拟合了Smax-N曲线预测其疲劳寿命,根据疲劳损伤理论分析了疲劳破坏程度,并通过断口形貌揭示了疲劳裂纹扩展规律。研究结果表明：Q460D母材具有较高的疲劳抗力;对接焊缝接头Smax-N的95%保证率曲线与ANSI/AISC 360-10的疲劳设计曲线吻合较好;GB 50017—2003的设计曲线能较好预估循环次数大于40万次以上十字接头的疲劳寿命。损伤指标能够较好地表征疲劳破坏过程中构件内部状态的变化,缺口系数越大,损伤发展越快。瞬断前裂纹扩展规律与损伤发展一致,随着损伤发展疲劳条带间距逐渐变大。     

脆性岩石破坏试验研究

 对不同加载速率控制条件下标准试样以及带中心圆孔的花岗岩岩板进行单轴压缩试验,研究岩石破坏的全过程并进行声发射特征分析。试验结果表明：岩石材料破坏过程是内部微裂纹产生和扩展过程的宏观反映;声发射信号与应力–应变曲线有良好的对应关系,根据声发射信号可以判断岩石内部裂纹扩展演化的情况;在不同的加载速率条件下对应不同的承载能力和不同的破坏形态。根据试验结果,建立弹脆性损伤本构模型,基于ABAQUS平台,采用与试验一致的控制条件对带孔岩板进行数值模拟,并与试验结果进行比较。结果表明,数值模拟真实地反映了岩石变形破坏的全过程,研究成果对研究脆性岩石的破坏以及脆性岩石的岩爆机制具有重要的指导意义。     

Q690D高强钢焊缝连接疲劳性能试验研究

文中对Q690D高强度钢材及其焊缝连接的疲劳性能进行试验研究,讨论Q690D母材、对接接头、十字接头三种连接形式的疲劳极限;拟合了S-N设计曲线,并与现行规范进行比较,对其疲劳特性及疲劳寿命给予评价。试验结果表明：Q690D母材与普通钢材相比表现出较高的疲劳抗力;GB50017设计曲线能较好评估循环次数大于30万对接接头的疲劳寿命,且具有足够安全储备;十字接头S-N设计曲线与AISC360规定的疲劳设计曲线吻合较好。采用电镜扫描分析不同阶段断口的微观形貌特征,并基于零塑性累积应变率假设得到疲劳损伤公式,讨论焊接缺陷对试件疲劳损伤的影响。断口形貌可以反映试件的疲劳损伤发展过程,损伤曲线又很好地解释了断口的形成机理。     

基于等效结构应力的钢框架焊接梁柱节点低周疲劳评估

在地震作用下钢框架梁柱焊接节点会发生低周疲劳现象,进而导致结构发生破坏。本文基于等效结构应力法提出一种高层钢框架梁柱焊接节点低周疲劳评估方法。首先,结合有限元多尺度模拟方法,建立包含翼缘及腹板焊缝细节的钢框架梁柱焊接节点多尺度模型。其次,利用不同单元尺寸多尺度模型,验证结构应力的网格不敏感特性,进而通过等效结构应力法评估钢框架梁柱焊接节点的疲劳寿命。结果表明,采用等效结构应力法可消除网格的敏感性,在往复荷载作用下,靠近工艺孔焊缝应力水平高于远离工艺孔焊缝,翼缘中心焊缝寿命最低,裂纹最先产生于翼缘焊缝中心处,评估方法为实际工程提供技术支持。