循环荷载下奥氏体型和双相型不锈钢材料本构关系研究

为研究循环荷载下不锈钢材料的本构关系,对奥氏体型S30408不锈钢和双相型S220503不锈钢材料进行了单调拉伸和大应变超低周循环加载试验。采用三种常用的单调拉伸本构模型对所得应力-应变曲线进行拟合,得到相应单调荷载下材料本构参数;采用Ramberg-Osgood本构模型对循环骨架曲线进行拟合,得到材料循环强化参数;利用Chaboche塑性本构模型,标定了两种材料的循环本构参数。结果表明:在单调拉伸荷载下,G-R-O本构模型更适用于拟合不锈钢材料的单调拉伸本构;在循环荷载下,不锈钢材料滞回曲线饱满,且随着应变增大,两种材料在加载后期均表现出了明显的循环强化现象;Ramberg-Osgood本构模型对骨架曲线拟合较好,有限元计算结果和试验滞回曲线吻合度高;表明该文标定出的强化参数、循环本构参数可用于结构体系地震响应分析之中,为准确分析不锈钢结构在地震作用下的受力性能提供参考。     

单调加载下不锈钢结构梁柱栓焊混用节点承载性能分析

为了进一步探索研究国内S31608不锈钢材梁柱栓焊混用节点的承载性能及变形能力,该文采用有限元软件ABAQUS建立了6个非线性有限元模型,根据S31608不锈钢材及A4-80螺栓材料本构关系,采用高效精确的有限元模型对不锈钢材梁柱节点在单调加载下的受力性能进行模拟,分析了节点试件梁翼缘板沿梁长方向、焊接孔末端梁宽度方向和剪切板根部的应力分布状况。选取其中一个不锈钢结构梁柱栓焊节点在单调荷载作用下进行了试验验证,试验节点试件螺栓选用不锈钢A4-80螺栓,剪切板与腹板之间连接采用承压型连接开孔受力。试验和模拟结果显示梁柱栓焊节点最大承载力分别为251.6 kN和246.1 kN,最大位移分别为197.9 mm和196.1 mm,模拟结果与试验结果吻合度是较好的,而且模拟结果偏安全,可以在后期的参数分析中用此模型进行分析。试验结果也证明了之前循环试验结果的准确性。     

HRB400E抗震钢筋拉压循环本构关系EI北大核心CSCD

对新型抗震钢筋HRB400E进行单调拉伸及循环加载试验,研究其单调性能、滞回性能、延性特征等,为对比抗震钢筋与普通钢材力学性能的区别,同时进行Q355B钢材的单调拉伸及循环加载试验,并基于能量耗散系数评价不同钢材的耗能能力。采用Ramberg-Osgood模型拟合得到两类钢材的循环骨架曲线,进一步探究随动强化参数对数对滞回曲线模拟效果的影响,并根据循环加载试验结果标定得到Voce-Chaboche模型的混合强化参数,利用ANSYS有限元软件对不同加载制度下的滞回曲线进行模拟。结果表明:HRB400E抗震钢筋的能量耗散系数大于普通钢材Q355B,小于高强钢Q460D以及低屈服钢LYP100、LY100、LY160、LY225;循环荷载作用下,抗震钢筋和普通钢材的材料强度均有明显提升;取4对随动强化参数时,模拟曲线与试验曲线的吻合度最高;采用标定得到的混合强化参数可准确模拟两种钢材在不同循环加载制度下的滞回性能,为今后准确模拟HRB400E钢材在地震作用下的抗震性能提供了参考。     

LYP100钢材大应变下滞回性能

对LYP100钢材进行了单调拉伸试验和大应变下的循环加载试验,为了防止试件受压失稳,循环加载采用标距直径比为1.25的试件。循环加载一共做了4类共计7种加载制度,试验结果表明LYP100钢材具有十分明显的强化特征,表现为随动强化和各向同性强化的混合。通过对不同加载制度结果的对比,LYP100钢材的强化特征表现为同应变幅相关,这在目前的Chaboche模型中并未体现,需要对材料模型进行修改。此外,该文在Chaboche模型的基础上针对等幅加载的试验结果做了参数标定,采用标定后的结果进行计算,计算的结果表明Chaboche模型存在无法考虑应力强化同应变幅相关的缺陷。     

循环荷载作用下超高性能混凝土的轴拉力学性能及本构关系模型

对具有不同拉伸应变特性(应变强化和应变软化)的超高性能混凝土(Ultra high performance concrete, UHPC)进行了单调和循环荷载作用下的直接拉伸试验。试验结果表明:应变强化UHPC基体开裂后进入多点微裂纹分布的应变强化段,达到极限抗拉强度后进入单缝开裂的应变软化段;应变软化UHPC基体开裂后直接进入单缝开裂的应变软化段;循环荷载下两种类型UHPC的轴拉应力-应变曲线包络线与单调荷载下的应力-应变曲线基本一致;基于刚度退化过程建立了两种类型UHPC的轴拉损伤演化方程,根据实测应力-应变曲线和试件的裂缝分布形态建立了两种类型UHPC的轴拉本构关系模型,与试验结果基本吻合;采用能量法研究了应变强化UHPC两阶段轴拉本构关系在数值计算时的等效方法。最后,通过无筋应变强化UHPC抗弯试验梁的数值模拟对本文建立的应变强化UHPC轴拉本构关系模型和损伤演化方程及相关假定进行了验证,结果表明本文建立的应变强化UHPC轴拉本构模型能较好地预测UHPC弯拉构件的极限承载力,轴拉损伤变量能在宏观层面上较好地反应试件的裂缝分布状态。      

单调荷载下Q345钢焊缝金属的延性断裂性能研究

为了研究Q345钢焊缝金属的延性断裂性能,对9个试件进行了单调荷载下试验研究,试件设计考虑了不同应力三轴度和洛德角分布范围。分别采用Swift、Voce及Swift-Voce混合强化模型,拟合得到了能预测到断裂时的完整应力-应变曲线,其中Swift-Voce混合强化模型模拟各试件荷载-位移曲线精度最好。采用VGM,改进SWDM和Lou模型3种断裂模型,通过编写UVARM子程序,校准了各模型的材料参数,并对各试件进行了有限元断裂模拟预测,比较分析了各个模型的预测精度。结果表明,VGM模型对接近于平面应变状态的矩形缺口和槽板试件的预测结果误差较大,而改进SWDM和Lou模型通过引入洛德角参数来描述偏应力状态,对不同应力状态的试件断裂预测结果精度更高,模型的适用性更好。     

循环荷载下岩盐Poyhting-Thomson模型研究

循环荷载下盐岩流变模型,是岩石力学的重要内容之一。利用Poyhting-Thomson模型,根据岩样真实循环加载疲劳过程,推导出初始匀速加载段和正弦循环加载段的应变随时间变化的本构方程。对盐岩进行了循环加载疲劳试验,由于疲劳损伤的原因,平均应变值随时间延长等速增加。据此,对理论本构方程进行了修正,用时间的幂函数来描述应变增量,得到了修正的Poyhting-Thomson疲劳流变本构方程。匀速加载阶段理论模型能较好模拟试验曲线。用修正的流变本构模型对循环加载疲劳阶段的应变曲线的上限线、下限线和中间线进行拟合分析,得到了相应的拟合参数。取参数的平均值,用修正模型对试验疲劳曲线进行了模拟,模拟曲线与试验曲线比较接近,几乎可以代替试验。通过试验和数学验证表明,Poyhting-Thomson模型及其修正的模型,来描述循环载荷作用下盐岩的疲劳应变发展是可行的,能较好的刻画应变随时间变化的规律。     

获取材料应力应变关系的锥形压入新方法

采用自主研发的便携式压入设备,对材料平滑表面进行单调压入试验获得载荷—深度曲线,进而获得材料的单轴应力应变关系曲线。在等向强化、各向同性、单调加载条件下,基于能量原理和有限元分析提出应用双锥无卸载的压入载荷—深度曲线预测具有Hollomon律的材料应力应变关系半解析新公式。在有限元验证方面,根据不同材料的Hollomon律应力应变作为有限元本构关系条件获得的载荷—深度分析结果与压入载荷—深度关系吻合较好。在试验方面,通过压入载荷—深度曲线得到加载曲率,然后利用半解析新公式得到的材料单轴应力应变关系与单轴拉伸试验结果进行比较,结果表明新方法获取的材料应力应变关系和单轴拉伸试验结果有较好的一致性。     

一种基于混合硬化本构模型的汽轮机轮盘榫槽疲劳寿命预测方法

针对汽轮机转子轮盘的受力特点,以非对称载荷下材料的瞬态应力应变响应为基础,在内变量理论框架下,建立起某型汽轮机轮盘材料的率无关循环塑性本构模型;并结合局部应力应变法,进一步建立了基于混合硬化本构模型(N-5L1)描述平均应力松弛行为的汽轮机轮盘榫槽疲劳寿命预测方法。通过与实验结果相比较,表明混合硬化本构模型能够较好地模拟脉动加载下转子轮盘材料的循环应力应变响应及平均应力松弛行为,由此建立的寿命预测方法可对轮盘榫槽进行较为准确的疲劳寿命预测(与试验寿命误差总体落在1.5倍分散带以内),明显优于基于平均应力松弛经验公式的疲劳寿命预测值。     

0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢动态力学性能研究

0Cr17Ni4Cu4Nb为沉淀硬化型不锈钢,常用在高强度冲击结构中.本文利用分离式Hopkinson压杆实验设备测定了该材料在多种应变率下的动态应力-应变关系,在此基础上选择了Cowper-Symonds 动态强化模型来拟合和描述材料的动态本构特性.利用拟合得到的相应参数对该材料的动态力学性能进行详细的分析,同时还分析了该材料的工程应力-应变曲线和真实应力-应变曲线参数之间的相同点和不同点.     

Monotonic and Cyclic Deformations of Case‐Hardened Steels Including Residual Stress Effects

Abstract: Monotonic and cyclic deformations of case‐hardened steel specimens under axial loading were investigated experimentally and analytically. A finite element (FE) model for the case‐hardened specimens was constructed to study multiaxial stresses due to different plastic flow behaviour between the case and the core, as well as to evaluate residual stress relaxation and redistribution subsequent to cyclic loading. The multiaxial stress is shown to increase the effective stress on the surface, and, therefore, unfavourable to yielding or fatigue crack nucleation. The residual stresses are shown to relax or redistribute, even in the elastic‐behaving region, when any part of a case‐hardened specimen or component undergoes plastic deformation. Multi‐layer models were used to analyse and predict monotonic and cyclic deformation behaviours of the case‐hardened specimen based on the core and case material properties, and the results are compared with the experimental as well as FE model results. The predicted monotonic stress–strain curves were close to the experimental curves, but the predicted cyclic stress–strain curves were higher than the experimental curves.     

Q690D高强钢基于连续损伤模型的断裂破坏预测分析

高强钢材在实际钢结构中已经开始逐步得到应用,该文针对Q690D高强度结构钢材,进行了钢材圆棒试样在单调加载和超低周循环加载下的断裂破坏试验,研究了试样裂纹的起始位置,分析了加载制度对试样承载能力和变形能力的影响,并采用扫描电镜观察了试样断口的微观形貌,断口呈现韧窝形式的延性断裂特征。基于Q690D钢材缺口圆棒试样的单调拉伸试验结果,结合有限元分析,标定了钢材的连续损伤模型参数。最后,应用钢材的连续损伤模型,对圆棒试样和带初始间隙试样在不同加载制度下的断裂破坏进行预测分析,得到试样的裂纹起始位置、荷载-位移曲线、断裂位移和疲劳寿命均与试验结果吻合良好。     

方钢管混凝土柱节点的试验研究及非线性有限元分析

基于方钢管混凝土柱内隔板式节点及外加强环式节点的低周反复荷载试验,在合理选择材料本构关系、破坏准则的基础上,采用通用有限元软件ANSYS对方钢管混凝土柱内隔板式节点和外加强环式节点进行了单调加载及循环加载作用下的受力性能分析。有限元分析得出的荷载-位移曲线及剪力-剪切变形曲线与试验结果吻合较好。在此基础上对外加强环式节点进行了参数分析,研究了方钢管混凝土柱的轴压比、宽厚比、核心混凝土强度及混凝土楼板高度对节点受力性能的影响,结果表明轴压比、宽厚比的影响较大。     

国产低屈服点钢材循环加载试验研究

为研究不同荷载作用下国产低屈服点钢的材料力学行为,对LY100、LY160及LY225钢材共46个试件进行了单调拉伸试验及12种不同加载制度的循环加载试验。对国产低屈服点钢的单调性能、滞回性能、破坏形式、延性特征等进行了分析,并与其他结构钢材的力学性能进行了对比。结果表明,低屈服点钢在循环荷载作用下有明显循环强化现象,塑性变形能力强,且与普通钢材相比延性及耗能能力突出。该试验结果为后续研究低屈服点钢本构模型提供基础。     

建筑结构钢超低周疲劳断裂破坏的损伤预测模型

针对地震作用下建筑结构钢的超低周疲劳断裂问题,在单调加载损伤模型的基础上,提出了一种适用于超低周循环加载情况下的损伤预测模型,并借助ABAQUS软件的用户自定义材料子程序模块,将建立的损伤预测模型引入到有限元分析程序中。然后分别依据建筑钢结构母材、热影响区和焊缝金属缺口试样的单调加载和超低周循环加载试验,标定了材料的损伤模型参数,并对比分析了缺口圆棒试样在不同加载方式下的损伤演化规律,损伤分析结果表明缺口圆棒试样的裂纹都产生于试样截面中心处,这与试验结果一致。最后,以钢框架梁柱焊接节点为研究对象,应用损伤模型分析了节点危险部位的损伤演化规律,数值模拟了节点的超低周疲劳断裂破坏过程,最终得到节点的疲劳寿命与试验结果吻合良好。     

Cyclic fracture behaviour of 304LN stainless steel under load and displacement control modes

Attempts have been made to understand cyclic fracture behaviour of AISI 304LN stainless steel used for nuclear piping materials under load vis‐à‐vis displacement controlled fracture tests; the former closely simulate the seismic loading conditions. The load controlled tests indicate that a material fails in a limited number of cycles even when the load amplitudes are sufficiently below the maximum load in a monotonic J–R test. The displacement controlled tests, on the other hand, show that the energy absorbing ability of a material gets severely reduced under cyclic loading conditions. The obtained results on standard laboratory specimens have been compared with similar available results on components in order to provide guidelines for maximum load bearing capability of engineering components under cyclic loading.     

不锈钢母材及其焊缝金属材料单拉本构关系研究

为研究国产双相型S22053和奥氏体S30408不锈钢母材及其焊缝金属材料的单拉本构关系和破坏模式,对4组共12个材性试样进行了单向拉伸试验,并对其破坏截面进行了电镜扫描。基于试验曲线,利用修正的Ramberg-Osgood （R-O）模型对材料本构关系参数进行了拟合,进而对不锈钢母材和焊缝金属的单拉本构关系进行了对比分析。结果表明:不锈钢母材和焊缝金属材料均发生韧性破坏,其本构关系都表现出明显的非线性;焊缝金属材料的屈服强度和极限强度均高于不锈钢母材,而延性低于母材;修正的R-O模型与母材和焊缝金属材料试验曲线吻合良好;在焊缝连接承载力精确分析中,应考虑焊缝金属材料与母材本构关系的差异,分别使用相应的本构关系模型。     

不同加载条件下钢筋混凝土构件力学特性及影响规律研究

基于OpenSees中的BeamwithHingesElement单元,采用直接在截面层次上定义线弹性剪切恢复力模型,引入零长度单元利用粘结滑移材料模拟构件末端粘结滑移,考虑P-D效应引起的几何非线性,钢筋材料采用能精确模拟钢筋低周疲劳损伤与开裂现象的Mohle-Kunnath本构模型,分析构件在不同加载历史条件下的力学特性。研究构件在单调加载、非对称循环加载、对称循环加载条件下构件的力学特性,并进一步分析构件在不同循环周数条件下对称、非对称加载时构件的力学特性及钢筋材料应变随位移加载历史的变化特点,分析结果表明,钢筋混凝土框架柱在循环加载条件下的构件刚度退化、强度退化现象明显,构件的损伤程度随着剪跨比的降低和轴压比的增大逐渐加剧,构件随着循环周数的增加损伤程度更明显,钢筋材料应变随着循环周数的增加变化明显,随着轴压比增加和剪跨比的降低,构件刚度退化与强度退化随循环周数的增加更显著,钢筋应变同样有一定程度增加。     

HRB600钢筋屈曲受力性能试验研究

HRB600高强钢筋已纳入我国钢筋产品国家标准,并商业化生产,但关于其非弹性屈曲受力性能、考虑屈曲的低周疲劳损伤模型的研究成果很少。对于HRB600高强钢筋的原状试件,该文完成了10个单调受压屈曲试验、16个考虑屈曲的循环拉压试验,测量了屈曲钢筋的平均应力-平均应变曲线和跨中横向位移,分析了非弹性屈曲对HRB600钢筋受压强度退化的影响,以及屈曲方向对试件强度退化、疲劳损伤的影响,提出了适用于HRB600高强钢筋、可考虑屈曲效应和不同加载方式影响的修正低周疲劳损伤模型。研究结果表明:单调受压屈曲时HRB600钢筋屈曲方向稳定,随长径比增大钢筋屈曲后强度退化加快;循环加载时HRB600钢筋屈曲方向不稳定,导致局部塑性应变集中和疲劳损伤对钢筋屈曲后强度退化的不利影响减轻;传统低周疲劳损伤模型明显低估了HRB600钢筋屈曲后的疲劳损伤,修正疲劳损伤模型能合理地考虑屈曲对HRB600钢筋低周疲劳损伤和断裂的影响。