GTN模型对于钢材的参数标定

本文通过模拟两种缺口尺寸的圆棒试件的单向拉伸试验,并结合已有试验分析了GTN模型中各个参数对最终断裂结果的影响。结果发现该模型中的形核孔洞体积分数会导致承载力下降,临界孔洞体积分数越大,断裂点会相对靠后;断裂失效孔洞体积分数越大,材料失效后承载力下降的越慢。     

Q235B钢材的微观损伤模型韧性参数校正

Q235B钢材在中国建筑领域应用广泛,但目前却缺乏该类钢材的空穴增长模型(VGM模型)和应力修正临界应变模型(SMCS模型)等微观损伤模型韧性参数.为此,取材自热轧无缝钢管以及冷焊钢管母材、热影响区、焊缝区的4种Q235B钢材,加工了8个光滑圆棒试件和24个缺口圆棒试件,通过系列单轴拉伸试验,辅以数值分析及电镜扫描试验,获得了Q235B钢材的VGM和SMCS模型韧性参数,确定了Q235B钢材的特征长度,然后试验验证VGM和SMCS模型对Q235B钢材韧性断裂的预测效果.结果表明:VGM与SMCS模型对Q235B钢材韧性断裂预测效果均很理想.     

Q690D高强度钢材GTN模型的参数标定和应用

高强度钢材在实际钢结构工程中逐渐得到应用,钢材的断裂分析模型是开展钢结构断裂预测的基础。对Q690D高强度钢材等直圆棒试样进行单调拉伸试验,获取材料的基本力学性能参数和真应力-塑性应变曲线。基于Q690D高强度钢材等直和缺口圆棒试样的单调拉伸试验和有限元分析,标定得到Q690D钢材的GTN模型损伤参数,分析圆棒试样中裂纹的起始位置。应用Q690D钢材的GTN模型,对缺口板状试样的单调拉伸破坏进行有限元计算,分析试样的裂纹起始和破坏过程,得到缺口板状试样的荷载-位移曲线。数值计算结果与试验结果的对比表明:Q690D钢材的GTN模型很好地模拟了缺口板状试样的断裂破坏过程。     

基于GTN损伤模型的参数敏感性分析

利用ABAQUS有限元分析软件,建立缺口圆钢棒试件单轴拉伸材性模型。通过UMAT子程序,引入GTN微细观损伤本构模型描述材料本构关系,改变GTN损伤模型参数值,分析轴拉极限荷载和断裂位移预测结果对各GTN参数(形核时的平均等效塑性应变ε_n,形核应变的标准差S_n,形核粒子的体积分数f_n,初始孔洞体积分数f_0,考虑孔洞聚合作用引入的模型校准参数q_1、q_2,材料出现宏观裂纹时的孔洞体积分数f_F)的敏感性。采用曲线拟合轴拉极限荷载、断裂位移与GTN参数之间的关系,获取其对各参数的敏感度。结果表明:参数变化对断裂位移的影响较极限荷载更大。各参数对极限荷载的敏感度因子值最大为0.010 7,各参数敏感性由大到小依次是ε_n、S_n、q_1、f_n、q_2、f_0、f_F;而各参数对断裂位移的敏感度因子值最大为1.31,各参数敏感性由大到小依次是q_2、q_1、f_n、f_F、ε_n、f_0、S_n。     

Q345建筑钢材应力型断裂模型参数标定与应用

基于应力型的断裂模型可用于预测钢结构的延性断裂。本文依据圆棒试样的单调拉伸试验结果,标定了建筑结构中常见的Q345钢材的应力型临界断裂模型参数,并且基于断裂模型参数得到试样的荷载-位移曲线与试验结果有较好的一致性。应用Q345钢材的应力型断裂模型,对缺口板状试样的断裂破坏进行有限元数值模拟,试验结果验证了应力型断裂模型良好的预测精度。     

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。     

Q345冷成型钢高温蠕变性能试验研究

高温蠕变会加速热轧型钢构件受火失效，而对冷成型钢构件的高温蠕变性能研究有待深入。为此，对厚1.0 mm的Q345冷成型钢进行了8个试验温度(200～700℃)下的高温蠕变试验，每个试验温度设置2～8个应力水平(应力比0.10～1.1),总计41个试验工况，最长持时240 min。得到了不同温度和不同应力比下的蠕变曲线，并与已有的Q345热轧型钢高温蠕变曲线进行对比。结果表明：相同温度及应力比下，冷成型钢蠕变发展要快于热轧型钢，在实际工程中，应区别对待热轧型钢与冷成型钢的蠕变特性。基于高温下试件进入加速蠕变阶段的最小应力水平，给出了Q345冷成型钢在温度400～700℃下的蠕变断裂临界应力比，其中，温度为400～500℃和700℃时，蠕变断裂临界应力比高于屈服强度折减系数；而温度为550～600℃时，蠕变断裂临界应力比低于屈服强度折减系数，Q345冷成型钢可能会在达到高温屈服强度之前发生蠕变破坏，不利于结构安全。根据复合时间强化模型和稳态蠕变速率与应力比的定量关系，分别给出Q345冷成型钢高温蠕变曲线预测模型和稳态蠕变速率预测模型，预测值与试验值均较为接近，适用于预测Q345冷成型钢在温...     

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。     

基于GM(1,1)模型室内加速试验下钢筋混凝土服役寿命预测

为研究西部盐渍土地区钢筋混凝土损伤劣化规律及服役寿命,设计了干湿循环、盐类侵蚀、紫外线辐射及太阳照射耦合因素下的室内加速试验,定期测试试件相对动弹性模量(RDEM)、相对质量评价参数(RQEP)和腐蚀电流密度(i_corr)等宏观指标及扫描电镜(SEM)与X射线衍射(XRD)等微观指标来表征钢筋混凝土损伤劣化规律及腐蚀机理,同时利用GM(1,1)模型对钢筋混凝土服役寿命进行预测。研究结果表明：RDEM、RQEP及i_corr均可在一定程度上表征混凝土损伤劣化过程,RDEM呈现出先增大后减小的趋势,RQEP表现为缓慢增长-平缓下降-加速下降三阶段变化特点,而i_corr呈现缓慢增长-加速增长两阶段变化。利用GM(1,1)模型预测C35试件钢筋与混凝土失效时间分别为175 d和231 d,C40试件失效时间分别为273 d和497 d。     

基于微观机理的高强度钢材及其焊缝断裂预测模型研究

为了研究高强度钢材应用中的断裂敏感性增大和焊接连接等问题,基于材料断裂的微观机理与局部应力、应变,对Q460C高强度结构钢及其焊缝在单向拉伸作用下的断裂预测模型进行研究,分别对其母材、焊缝金属及热影响区材料进行了系列标准圆棒和缺口圆棒的单向拉伸试验,并结合有限元分析,标定材料单拉本构模型,以及细观力学模型中的材料参数。研究结果表明:Q460C焊接钢材焊缝区韧性参数大于母材和热影响区韧性参数,微孔扩张模型VGM和应力修正临界应变模型SMCS中韧性参数与钢材强度指标和屈强比没有明显关联,而与塑性指标有关,且韧性参数的离散系数在20%以内,验证了VGM和SMCS微观机理模型预测Q460C钢材及其焊缝延性断裂的有效性,为高强钢结构的断裂性能研究提供参考。     

生态钢纤维混凝土弯曲韧性和断裂性能

为掌握生态钢纤维混凝土的弯曲韧性和断裂性能,分别对掺率(体积分数)为1.0%,1.7%,2.4%的2种异形生态钢纤维混凝土和掺率为0.7%,1.3%的原生高强钢纤维增强混凝土进行了无切口梁四点弯曲韧性试验和切口梁三点弯曲断裂试验。研究结果表明:生态钢纤维掺率为1.0%时,无切口梁四点弯曲荷载 挠度曲线和切口梁三点弯曲荷载 挠度及荷载 切口张开位移曲线在达到峰值后都出现局部陡降,试件残余强度较小,断裂韧度值较低,纤维对改善混凝土弯曲韧性和断裂性能的作用较小;当生态钢纤维掺率为1.7%时,混凝土弯曲韧性和断裂性能均得到显著提高,混凝土在变形达到15δ_ult,p（δ_ult,p为素混凝土峰值荷载对应的挠度）或70D_ult,p（D_ult,p为素混凝土峰值荷载对应的切口张开位移）水平时,依然具有较高的持荷能力和较好的韧性,波浪型生态钢纤维混凝土断裂能和断裂韧度是素混凝土的27.59倍和8.35倍;生态钢纤维掺率为2.4%时,混凝土弯曲韧性指标、断裂能和断裂韧度进一步增加;掺率为1.7%的生态钢纤维混凝土增韧和抗断裂效果与掺率为0.7%的原生高强钢纤维混凝土相当。     

基于裂离参量的粒状土颗粒破碎量化方法

以粒组为分析对象,将颗粒破碎引起粒状土级配变化的过程划分为3个阶段。在此基础上,针对单个粒组与粒状土整体的颗粒破碎情况分别提出了裂离比R_k与加权裂离率B_d的新概念。在进行等比级数简化假设的基础上,给出了两者的计算方法。研究已有文献中搜集的21组颗粒破碎试验资料发现：在所研究的围压范围内,对于不同粒状土材料,B_d-均呈现出线性关系。且对于多数试验结果,该关系存在一个明显的斜率折点。综合考虑围压、母岩强度与原始级配对B_d的影响发现,对于灰岩、角砾岩、砂岩料等不同粒状土材料,B_d的变化规律具有归一性。整理已有试验资料中不同粒状土的加权裂离率B_d与破碎率B_g发现,B_d与B_g间存在一定的指数化关系。最后通过优势分析,指出基于裂离参量的粒状土颗粒破碎量化方法有其自身的特点与优势,具备广阔的研究前景。     

机场道面混掺纤维混凝土强度与抗弯韧性试验

为了降低机场道面混凝土脆性,通过混掺高性能粗聚烯烃纤维（PP）和细聚乙烯醇纤维（PVA）来提高道面混凝土韧性。通过四点弯曲试验,测得了梁试件荷载 挠度曲线,分析了2种纤维体积掺率混掺对改善三级配机场道面混凝土弯曲韧性的效果。结果表明:纤维混掺可明显改善混凝土抗弯韧性;PP的掺入使荷载 挠度曲线出现了2次峰值;PVA体积掺率为0.2%或0.4%时,随着PP掺率增加,韧性指标值P₃₀₀,P₇₅,P₅₀均呈增大趋势;PP掺率的增加对后期韧性指标值P₇₅,P₅₀的提高更为显著;增加PVA掺率对提高第一峰值强度较为显著;PP和PVA分别以体积掺率1.1%和0.4%混掺时,机场道面混凝土抗弯韧性提高最为明显。     

有机羧酸胺阻锈剂在3.5%NaCl饱和Ca(OH)2溶液中对碳钢的阻锈作用

采用干湿循环试验,线性极化(LPR),电化学阻抗谱(EIS)以及扫描电子显微镜(SEM)方法研究有机羧酸胺(ZX)与Ca(NO₂)₂在3.5%NaCl饱和Ca(OH)₂溶液中对碳钢的阻锈效果。试验结果表明,在溶液中加入阻锈剂0.2%~1.2%时,有机羧酸胺与Ca(NO₂)₂均有抑制碳钢锈蚀的作用,但在干湿循环试验中Ca(NO₂)₂的阻锈效果与其含量不成比例关系,而ZX与其含量有良好的相关性。此外,在电化学试验中,随着ZX与Ca(NO₂)₂含量的增加,阻锈效果越明显,且在3.5%NaCl饱和Ca(OH)₂溶液中ZX的阻锈效果优于Ca(NO₂)₂。     

三参数强度理论及其在脆性材料中的应用

为了完善岩石、混凝土等脆性材料的强度理论,在双τ²强度理论的基础上,考虑两个较大的主剪应力和静水压力对岩石类材料强度的不同贡献,提出了一个新的含有3个参数的双τ²强度理论。推导出了该理论的数学表达式,分析了主应力空间极限面的相关特性,研究了该理论在几种应力状态下的理论预测曲线,并与一些实验数据进行了对比分析。结果表明:该理论在主应力空间的极限面为在拉伸区封闭而在压缩区开口且沿着静水压力轴不断增大的曲面,子午线为椭圆曲线,极限面的形状由材料的极限应力比α、β决定;在σ₁＞σ₂=σ₃或σ₁=σ₂＞σ₃的应力状态下,该理论的理论预测曲线与极限应力比β无关,极限应力σ₁随着压拉比α的增大而增大;双τ²的三参数强度理论与部分岩石和混凝土材料的实验数据吻合较好,完善了脆性材料的强度理论。     

粗粒土在平面应变条件下的强度特性研究

使用河海大学新型真三轴仪,对粗粒土分别进行σ₃ 保持不变的等σ₃平面应变试验和 b =0 （即常规三轴压缩）、 b =0.25 的等σ₃等b[b=(σ₂ -σ₃)/(σ₁ -σ₃)]试验,研究了粗粒土在平面应变条件下的应力路径、破坏时的中主应力系数、内摩擦角及破坏应力比的特点。试验结果表明,等 σ₃平面应变试验的应力路径介于 b =0 与 b =0.25 的等σ₃ 等b[b=(σ₂ -σ₃)/(σ₁ -σ₃)] 试验之间 ; 粗粒土在 平面应变条件下 破坏时的中主应力系数 b 介于 0.15 ～ 0.2 之间;粗粒土在平面应变条件下的内摩擦角比常 规三轴压缩条件下的大 5% ～ 7% ,而破坏应力比则比常规三轴压缩条件下的小 13% ～ 18% 。最后提出一个 由粗粒土常规三轴压缩试验测得的内摩擦角 φ _tc 求平面应变条件下的破坏应力比 M _fp 的计算公式 M _fp =2.3sin φ _tc ,可较好地模拟试验结果。     

砂岩裂纹起裂损伤强度及脆性参数演化试验研究

岩石起裂强度σci及损伤强度σcd作为岩石重要的强度特征值,其研究对于分析岩石的渐进破坏过程及预测隧洞脆性破坏有着重要意义。首先采用应变分析及声发射监测方法,研究了两组硬质砂岩试样在单轴及三轴压缩过程中的裂纹演化特征。试验结果表明,试样的侧向膨胀变形及声发射计数值可以较好地反映其内部的裂纹演化情况,二者随着裂纹的萌生积累都表现出一致的阶段性变化规律。同时通过进一步分析应变及声发射曲线中的阶段性变化拐点,确定了砂岩试样的起裂强度及损伤强度值。其中青砂岩平均起裂强度约为其峰值强度的0.42倍,红砂岩平均起裂强度则约为其峰值强度的0.48倍。最后通过对比不同围压下的试验结果,发现两组砂岩试样起裂阶段内摩擦角均小于其峰值阶段,初始φ0约为终值的1/2。由此定义了可反映岩石脆性程度的起裂摩擦水平φ_0/φ,并建立考虑摩擦作用的线性起裂准则。     

弱胶结结构性软黏土力学特性的试验研究

对取自不同地区的两种弱胶结结构性软黏土原状(undisturbed)样、重塑(remolded)样和泥浆(reconstituted)样进行了单向压缩和三轴剪切试验,分别得到土样的压缩曲线和应力–应变曲线。试验结果表明:原状样的压缩曲线为陡降型曲线,而不同制样土样的压缩曲线存在明显的差异;由于孔隙比和孔径分布对土体抗剪强度的综合影响,不仅导致相同围压下三轴剪切时孔隙比不同的重塑样和原状样强度差异较大,且孔隙比相近的不同土样的强度也存在不同程度的差异;若同一孔隙比下,两种软黏土的不同制样土样的强度关系均为原状样的强度最高,重塑样的强度最低,并可通过相近孔隙比下孔径大于0.2μm的孔隙体积量和孔径分布均匀性可合理地解释3种制样土样强度高低的关系。由于不同制样土样的孔径分布的差异不会随固结压力的增大而消失,用参考孔隙比e_(10)~*,简单表示土的孔隙比和孔径分布(即组构)参数,对压缩和剪切试验结果进行归一化整理后,发现不同土样的试验结果可归一化为相关度高的e/e_(10)~*-σv曲线和e_f/e_(10)~*-qf曲线,证明结构屈服应力后,不同土样变形和强度差异主要是由孔隙比及孔径分布(即组构)的不同引起的,用参考孔隙比e_(10)~*简单表示土的组构参数是有效的。