Q460D高强钢断裂性能试验研究及断裂准则的校准

为了考察Q460D高强钢在多轴应力状态下的断裂性能,本文分别对切口圆棒试件、剪切型及拉剪型平板切口试件、平板槽口试件进行了断裂试验.随后,利用扫描式电子显微镜对各试件断口处的微观断裂机制进行了观察分析,考察了应力状态对结构钢材断裂性能的影响,并利用试验结果对Rice-Tracey延性断裂准则进行了校准.试验研究结果表明应力状态对Q460D钢的延性与微观断裂机制有显著的影响.Rice-Tracey延性断裂准则可以准确的捕捉材料因应力三轴度升高引起的延性下降趋势.     

Q460钢基于微观机制的延性断裂判据研究

基于微观机制的断裂模型可用来预测钢结构的延性断裂.为校准Q460钢的微观断裂模型参数,进行了材料试验和对应的有限元分析,以及断口的扫描电镜试验.试件由Q460钢板焊接节点抽取的母材和熔敷金属圆棒制作而成.用自编的VUMAT子程序,分别以校准的应力修正临界应变模型(SMCS)和空穴扩张模型(VGM)为断裂判据,分析了18个圆周平滑槽口单向拉伸试件的开裂全过程,得到了裂后荷载位移曲线,其与试验结果吻合较好,验证了SMCS和VGM模型用于节点裂后路径分析的可行性.     

低屈强比高强钢箱形柱抗震性能试验研究

钢结构的材料高强化是发展趋势,目前高强钢存在屈强比过高的问题,限制了高强钢在建筑结构中的抗震设计应用。对低合金高强度结构钢进行材性改良,研发出一种新型低屈强比Q620E高强钢。对此新型高强钢的抗震性能进行试验研究,根据壁板宽厚比等级设计截面尺寸不同的箱形截面柱,对轴压比为0.2和0.35的高强钢箱形柱进行低周往复加载试验。通过观察试件的破坏模式、提取滞回曲线和骨架曲线,从承载力、延性、耗能性能与损伤发展等方面对钢柱的抗震性能进行分析,并与Q690D普通高强钢柱抗震性能进行比较。试验结果表明,低屈强比高强钢柱具有良好的滞回性能和塑性变形能力;壁板宽厚比对构件承载力及延性影响显著;壁板宽厚比越大则刚度下降越快、损伤发展不连续;相较于Q690D普通高强钢,Q620E新型钢在力学性能与构件抗震方面均体现出较大的优势,可考虑在高强钢建筑结构中拓展应用。     

高强钢板组合螺栓抗拉性能有限元分析

高强钢板钻孔攻丝后替代螺母,与高强螺杆组合成一种新的单边螺栓连接副,可用于钢管柱框架节点.为研究钢板组合螺栓抗拉承载力和破坏机理,在本组试验研究的基础上对4类钢板组合螺栓共64个试件进行单调拉伸数值模拟,以板厚和螺杆直径为研究变量,包括Q345B、45号钢、Q460C和Q690D四种钢材和10.9级M16、M20、M24、M27和M30五种规格高强螺栓.结果表明:Q345B、Q460C和Q690D均可作为45号钢的替代材料;钢板组合螺栓在锚固可靠的条件下,可按螺杆螺纹极限抗拉荷载的70%作为其抗拉设计值;钢板较薄时,发生钢板螺纹滑牙破坏,螺栓拔出,螺杆最大应力位于锚固区,钢板向外凸起,凸起量大于支点间距的1/200;钢板较厚时,发生螺杆拉断破坏,螺杆最大应力位于构造区,两种破坏模式中钢板的最大应力均位于钢板螺纹第一扣处.为保证钢板组合螺栓不发生钢板螺纹滑牙破坏,建议Q345B钢板厚度不宜低于1.15d;Q460C钢板厚度不宜低于1.10d;Q690D钢板厚度不宜低于0.95d,根据弹性力学和螺纹传力机理推导高强钢板组合螺栓抗拉承载力公式,公式计算结果与有限元结果吻合良好,研究成果可为钢板组合螺栓的设计提供参考.     

高强Q690钢柱高温下轴心受压局部稳定设计方法

局部屈曲是钢结构构件的一种破坏模式,钢结构发生局部屈曲破坏时,屈曲应力小于钢材的屈服强度。为了研究高温下高强Q690钢柱的局部稳定性能,采用有限元软件ABAQUS建立有限元模型,模型采用其他学者完成的Q460钢柱轴心受压局部屈曲试验进行验证,考虑宽厚比、温度、初始缺陷、残余应力和翼缘与腹板之间相互作用的影响,对高强Q690钢柱进行参数分析。研究结果表明：宽厚比对局部屈曲有显著影响,宽厚比的增大导致试件极限承载力的降低;初始缺陷和残余应力对局部屈曲应力有较大影响,且试件的极限承载力随着温度的升高而明显下降。基于有限元分析结果提出了适用于高强Q690钢柱高温下的局部稳定设计方法和宽厚比限值,并与GB 50017-2017、Eurocode 3和ANSI/AISC 360-10中的设计方法进行了比较。     

基于损伤修正M-K模型的高强度钢成形极限预测

为探究材料内部损伤演化对其成形特性的影响,在M-K凹槽失稳理论的基础之上,通过引入GTN损伤模型,建立了耦合损伤的高强度钢22MnB5成形极限预测方法,并确定了相关损伤参数。该方法以临界孔洞体积分数作为失稳判据,增强了预测方法的物理意义。通过理论计算分析了变形路径对板材失稳以及损伤演化的影响。同时,通过开展NAKAZIMA实验研究,获取了22MnB5的成形极限数据并对其变形特点进行了分析。通过与实验结果的对比,验证了本文预测方法的有效性。     

Q550GJ高强钢焊接H型截面残余应力试验研究

为了推动高强结构钢Q550GJ在我国钢结构工程中的应用,研究了Q550GJ高强钢焊接H型截面试件的残余应力分布规律.首先试验研究了Q550GJ钢材的力学性能,其屈服强度、抗拉强度和伸长率符合国家现行规范,屈强比小于0.85.然后设计和加工了7个Q550GJ高强结构钢焊接H型截面构件,采用分割法对其进行残余应力试验.研究了Q550GJ高强结构钢焊接H型截面构件的残余应力分布规律,分析了不同参数的影响.研究结果表明:翼缘中部和腹板两端近焊缝区域出现较大的残余拉应力,但没有达到钢材的屈服强度,且随着宽厚比的变化呈不规律变化;翼缘外伸部分中部和腹板中部都呈现基本恒定的残余压应力;残余压应力随着板件宽厚比的提高而相应减小;其余部位是从残余拉应力到残余压应力转变的过渡区域.     

铰支轴心受压高强钢管的局部稳定强度折减系数

中国特高压输电塔发展趋势是采用高强钢管塔,国内相关规范中Q420以上强度钢材设计参数不足.对20组不同材料和几何尺寸的高强钢管进行两端铰支轴压试验,并结合有限元计算及国内外相关规范分析其整体和局部稳定性.结果表明,Q420、GR65及Q460钢管轴压强度高于中国规范中对应计算值,且随屈服强度上升这种提高越明显.得出局部稳定强度折减公式是有限元计算值和试验值的下限,可供特高压输电杆塔设计作参考.     

Q235B钢材的微观断裂模型损伤系数识别

为获取广泛应用的Q235B钢材的循环空穴增长(CVGM)和退化有效塑性应变(DSPS)微观断裂模型损伤系数,取材自热轧无缝钢管与冷弯高频焊管母材、热影响区和焊缝区,分别加工12个光滑和8个缺口试件进行低周往复加载材性试验,获取4种材料混合强化参数,利用Fortran语言编译了CVGM模型及DSPS模型程序代码,作为UVARM子程序嵌入ABAQUS中,识别了其CVGM和DSPS损伤退化系数,用于缺口圆棒试件实验过程模拟,取得较好预测效果.     

内置十字型钢高强混凝土巨型圆柱的抗震性能

为研究含钢率对其抗震性能的影响,对2个大尺寸内置十字型钢高强混凝土圆柱进行低周反复荷载试验.分析破坏特征、滞回曲线、承载力、变形、刚度退化过程及耗能,并采用ABAQUS软件对试件抗震性能进行有限元模拟,分析轴压比、混凝土强度、配筋率、翼缘厚度和加载方向等参数对试件抗震性能的影响.结果表明:2个试件的破坏以弯曲为主,滞回曲线饱满,承载力下降缓慢;提高含钢率,试件承载力增大,刚度退化较慢,抗震性能好.提高轴压比和混凝土强度,峰值位移变小,峰值荷载提高,峰值荷载后,承载力衰减变快,延性较差;提高配筋率和改变加载方向,峰值荷载提高不明显,峰值荷载后,承载力衰减速度相似,对延性影响不大;提高十字型钢翼缘厚度,峰值荷载和延性提高,表现出更好的抗震性能.本文研究可为内置十字型钢高强混凝土圆柱的工程应用提供参考.     

型钢高强混凝土柱延性的试验研究

通过9根剪跨比λ=2．0的试件。对C80型钢高强混凝土柱在低周反复荷载作用下的抗震性能进行了试验研究．试验主要考虑配箍率和轴压比两个参数对构件延性的影响．根据试验结果，得出了配箍率和轴压比与构件位移延性的关系曲线．在满足一定位移延性的基础上．提出了C80型钢高强混凝土柱的轴压比限值；并就配箍率对轴压比限值的影响进行了分析。进一步提出了与不同配箍率相关的轴压比限值．     

湿H2S环境中含缺陷Q345R钢焊接接头的应力腐蚀试验研究

在圆棒试样上加工出不同类型的缺口来模拟焊接凹坑,并采用慢应变速率(SSRT)应力腐蚀试验研究含该缺陷的Q345R钢焊接接头在湿硫化氢环境下的应力腐蚀行为.结果表明:在204,612mg/L的湿H2S环境中,焊缝区无缺口试样的应力腐蚀敏感性明显小于含缺口试样.含缺口试样在拉伸过程中,受湿硫化氢和应力集中的协同作用,随焊缝区试样缺口半径的增大,其对应的应力腐蚀敏感性指数逐渐减小,断裂所需时间和延伸率均逐渐增大;断口均呈现明显的应力腐蚀断裂特征;相同缺口半径的试样,在612mg/L湿H2S环境中的应力腐蚀敏感性较高.     

建筑钢试件拉伸应力与其磁记忆效应漏磁场梯度的对应关系研究

通过对Q345B光滑试件和浅槽试件静载拉伸时表面漏磁场的在线测量,研究了在不同载荷作用下的磁记忆信号特征,建立了梯度特征参量K?和最大梯度绝对值maxK与应力?之间的对应关系.试验结果表明:随着载荷的增加,磁信号法向分量逐渐增大;磁场法向分量过零点和梯度最大值,能较好的判断应力集中位置;磁场法向分量出现"峰-峰值",不能作为早期损伤判断的依据;随着应力的增加,梯度特征参量K?出现最大值,可准确地判定试件是否进入塑性阶段;maxK值均随着应力的增加而增大,可较好地反映试件的损伤程度.     

焊接孔对波纹钢腹板梁力学性能的影响 (注：研究生论坛稿件)

本文通过对设置焊接孔的Q345c高强钢波纹钢腹板梁进行疲劳试验,静力试验和三维有限元分析,主要目的是研究焊接孔对高强波纹钢腹板梁力学性能的影响,并且通过有限元模拟对设置有焊接孔的波纹钢腹板梁进行几何参数分析。试验梁通过岛津4890疲劳试验机采用三点弯曲加载方案,在加载至60万次疲劳循环后,梁跨中部右侧的焊接孔处出现微裂纹,继续加载至128.84万循环周次,最终在前期未发现裂缝的焊接孔处发生断裂破坏。通过试验现象和有限元分析表明：焊接孔对波形钢腹板钢梁的应力集中影响较大;波纹钢腹板梁几何尺寸的变化使焊接孔处波纹钢腹板梁的力学性能的改变有明显的影响。     

圆钢管约束高强混凝土短柱的轴压力学性能

为研究圆钢管约束高强混凝土短柱的轴压力学性能,进行6个短柱试件在循环轴压荷载作用下的试验研究.试验中的主要参数为钢管径厚比(26和42).试验结果表明,圆钢管约束高强混凝土短柱的轴压承载力高于同条件的普通钢管混凝土构件,但两种构件的延性无显著差异;随钢管中纵向应力的降低,构件的轴压承载力提高.对构件的应力分析结果表明,圆钢管约束高强混凝土轴压短柱中,钢管对核心混凝土的约束效果高于普通钢管混凝土构件;钢管约束高强混凝土轴压短柱的峰值荷载点对应于钢管的屈服点.     

钢桥面板疲劳裂纹损伤非线性Lamb波检测的数值模拟与试验研究

为有效识别车辆荷载作用下钢桥面板的早期疲劳裂纹,进行钢板疲劳裂纹非线性Lamb波检测的数值模拟和试验研究.基于声接触非线性理论,提出了首波能量、拟声速和非线性参数3个损伤指标.试件同时考虑了孔洞缺陷、宏观裂纹和疲劳裂纹3种类型的缺陷,其中,疲劳扩展裂纹通过疲劳加载试验生成.在三维数值模型中,通过零长度非线性弹簧单元模拟...     

厚壁钢桥墩的超低周疲劳裂纹萌生寿命预测

为获得厚壁钢桥墩的超低周疲劳裂纹萌生寿命,对多组厚壁钢桥墩进行数值模拟分析。采用钢材的混合强化模型预测厚壁钢桥墩在三种不同往复荷载作用下的滞回性能,并分别使用Ge模型中的局部损伤法与非局部损伤法得到不同网格尺寸下的钢桥墩超低周疲劳裂纹萌生寿命,然后使用Ge模型对厚壁钢桥墩的疲劳裂纹萌生寿命影响因素(翼缘宽厚比、试件通用长细比等)进行参数化分析。研究结果表明:混合强化模型能准确预测厚壁钢桥墩的滞回性能;Ge模型中的非局部损伤法能准确预测厚壁钢桥墩的超低周疲劳裂纹萌生寿命。最后基于裂纹萌生寿命的参数化分析结果,提出了预测钢桥墩超低周疲劳裂纹萌生寿命的经验公式。     

具径向有序微造型的枞树型槽干气密封性能分析

为进一步提升双向旋转干气密封的密封性能,本文设计了一种在流体动压型槽槽底开设径向有序微造型的枞树型槽干气密封。基于气体润滑理论,建立三维润滑气膜模型,采用Fluent软件进行流体仿真,对不同结构和工况参数下有无微造型的流体型槽端面密封性能参数(开启力F_o和压漏比F_o/Q)进行对比分析。研究结果表明：径向有序微造型设计在低速时具有良好的开启性能提升作用,有助于改善启停阶段的端面磨损问题,在小槽深高转速时还可以较大幅提升F_o/Q;有序微造型的存在可以减小气流振荡,提高了运行的稳定性;微造型宽间比B_m/C_m=1时的密封性能最好;膜厚δ=2μm时,微造型深度e取1~1.3μm,可使激光开槽效率最高且兼具优良密封性能;微造型设计在进出口压差(?p)较大时能够更有效地提升F_o和F_o/Q;有序微造型的存在几乎不影响δ、h_g、N和?p对枞树型槽干气密封作用效果的总体规律。     

建筑钢板件力磁效应的ANSYS有限元模拟研究

为研究建筑用钢早期损伤和金属磁记忆信号的相互关系,采用ANSYS有限元分析软件,通过对建筑结构广泛使用的Q345B钢进行地球磁场下拉伸荷载的力磁效应二维平面模拟,得到不同载荷下人工浅槽试件表面漏磁场强度法向分量B(y)及其梯度值K的分布规律.研究表明,弹性阶段应力集中区的漏磁信号随应力呈规律性增加,屈服后,浅槽部位进入弹塑性状态的范围增加,漏磁信号的影响范围也随之扩大,较快增长的塑性变形对用应力来表征漏磁信号变化造成了影响,最后将模拟结果和试验结果对比,证实了模拟结果的可行性与可靠性,为金属磁记忆检测技术在建筑等领域的应用提供参考依据.     

一种半耦合韧性断裂准则及其在TRIP780中的应用

为研究高强钢板材在冷成形下的损伤演化与韧性断裂行为,将DF2012韧性断裂准则修正为初始损伤判据,同时参考连续损伤力学理论引入损伤变量D以衡量材料的累积损伤,并将其耦合到塑性模型中,构建了一种半耦合韧性断裂准则。以TRIP780高强钢板为研究对象,针对不同应力状态设计了6种形状的试样,借助电阻损伤测量法与DIC数字图像法进行了力学性能试验并测定初始损伤位移。采用非相关流动准则(NAFR)的Drucker各向异性屈服函数和Swift-Voce硬化模型准确描述了材料的塑性变形过程,然后分别利用试验模拟混合法和逆向工程法对初始损伤模型和损伤演化参数进行了标定。使用Fortran语言将构建的本构模型与损伤演化模型编译为VUMAT子程序并嵌入ABAQUS/Explicit模块中进行断裂模拟预测,并与未耦合损伤模型进行比较。结果表明：构建的半耦合韧性断裂准则能够准确描述TRIP780板材在不同应力状态下变形后期的损伤诱导软化行为,预测的断裂位移最大相对误差仅为1.31%。相较于常用的非耦合断裂模型,所提模型针对具有软化效应的高强钢表现出明显的优越性,适合用于高强钢板冷冲压成形的破裂预测中。