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。     

Q460D高强度结构钢材循环加载试验研究

高强度结构钢材在实际钢结构工程中已经得到广泛应用,国内外学者已经进行了一些研究,但对于循环荷载下高强度钢材本构关系的研究还很缺乏。通过对17个Q460D高强度结构钢材试件进行14种不同加载制度的单调和循环加载试验,得到不同加载制度下的应力-应变关系,探讨不同加载历史对其本构关系的影响,研究其材料本构模型、力学性能、破坏模式、变形和延性特征以及损伤退化特性。基于Ramberg-Osgood模型,拟合得到Q460D高强度结构钢材在循环荷载下的应力-应变关系骨架曲线;在Chaboche钢材塑性本构模型的基础上,通过试验标定Q460D高强度结构钢材的循环加载本构模型参数,并结合有限元程序ABAQUS对上述试验进行准确模拟。研究结果可为准确分析计算高强度钢材钢结构在地震作用下的受力性能提供基本前提。     

应变时效对Q345钢力学性能影响研究

针对Q345钢和对接焊缝试件开展了应变时效试验研究,分析了应变时效对钢材及焊缝力学性能的影响,采用Ramberg-Osgood模型对应变时效试件应力-应变曲线进行拟合。研究结果表明:预应变为12. 5%、时效为7 d标准试件的抗拉强度提高10%,断裂应变降低33%,增大了结构发生脆性破坏的可能性。应变时效提高了对接焊缝试件强度,降低了塑性和韧性。预应变为20%时,对接焊缝试件的断裂应变下降可达50%,应变时效后对接焊缝试件的变形能力显著降低,更易发生脆性破坏。采用Ramberg-Osgood模型可以较为准确地拟合应变时效后的应力-应变曲线,与试验结果吻合较好,适用于不同应变时效处理后的应力-应变曲线。其中,预应变和时效增加均能引起特征指数n增大,预应变对特征指数n的影响更显著。与时效影响相比,预应变对Q345钢和对接焊缝试件力学性能的影响更加显著。     

应力状态和应变率对Q690钢延性断裂行为的影响（英文）

研究了中国Q690高强度结构钢在不同低应变率下的真实应力-应变关系和延性断裂特征。加载了3种不同开口尺寸的单轴拉伸平板试件和纯剪试件,获得了广泛的应力状态。用试验结合数值模拟的方法确定等效塑性断裂应变、应力三轴度和罗德参数。结果表明,应力三轴度和罗德参数是控制断裂的主要影响因素。与应力相比,应变对应变率更为敏感,等效塑性断裂应变随应变率的增大而增大。此外,由于断裂前纯剪试件标距范围发生明显的变形和应力集中现象,断裂面以拉应力或拉剪应力为主,纯剪试件的设计需要进一步研究。     

统一平面应变滑移线场理论

本文提出了一种基于双剪统一强度理论的统一平面应变滑移线场理论.本理论充分考虑了各种不同材料的中间主应力效应,是一种完全意义上的统一理论.各种基于其他强度理论,如Tresea,Mises和Mohr-Coulomb等的平面应变正交或非正交滑移线场理论均是本理论的特例,并且可以通过不同的加权参数b而构成一系列新的理论.本文讨论了基于刚塑性的Prandtl-Reuss假设的平面应变滑移线场理论的应用范围,证明了该假设可以由Mises屈服条件和相关联流动法则推导得出.本文还通过引入中间主应力系数m,首次提出了另外一条比刚塑性Prandtl-Reuss假设更宽的假设来反映体积可以(或不可以)压缩的材料的中间主应力,该中间主应力即是z方向的主应力.我们通过试验和弹塑性有限单元方法验证了本统一理论的正确性.本理论可以很容易地应用到众多工业领域如金属塑性成型、地基承载力预测、边坡稳定性预测等.由于双剪统一强度理论的通用性和优越性已被逐渐认识,因此,平面应变统一滑移线场理论可以应用于各种工程材料,尤其对在土木工程中广泛应用的、具有强烈中间主应力依赖性的岩土类材料,本理论会更显示出其优越性.     

考虑应变时效影响的Q460C高强钢力学性能试验研究

为深入研究应变时效对Q460C高强钢基本力学性能影响,建立考虑应变时效影响Q460C高强钢应力-应变本构关系曲线,对经应变时效影响的Q460C高强钢进行了试验研究,分析了Q460C高强钢经应变时效后基本力学性能指标,采用修正Ramberg-Osgood模型对试验结果进行拟合。结果表明:Q460C钢经预应变后具有显著的应变硬化现象,屈服强度得到大幅提高,极限应变和断裂应变显著降低,屈强比接近1.0,结构发生脆性断裂的可能性增加; Q460C钢经时效后产生时效硬化现象,试件在各时效之间应力-应变曲线差别较小,经时效硬化后钢材的硬化程度低于应变硬化; 采用修正的Ramberg-Osgood模型能够较为准确地拟合经预应变及时效影响后高强钢的应力-应变曲线,拟合结果与试验结果具有较好的一致性; 研究内容可为相关工程应用和理论分析提供参考。     

主应力轴旋转条件下冻结黏土累积塑性应变与临界动应力特性研究

冻土作为寒区工程的基础和人工冻结工程的支护壁，经常承受动荷载的扰动，研究其在动荷载作用下累积塑性应变和临界动应力特性，可为寒区工程和人工冻结工程变形控制和稳定评价提供重要参考。为揭示主应力轴旋转对冻结黏土累积塑性应变和临界动应力特性影响，采用冻土空心圆柱仪进行了一系列考虑围压影响的动三轴试验和纯主应力轴旋转试验，分析了冻结黏土累积塑性应变、累积塑性应变率和临界动应力特征变化。研究表明，冻结黏土试样轴向累积塑性应变随着循环次数的增多而增大，围压的增大则会抑制冻结黏土轴向累积塑性应变发展速度，而主应力轴旋转效应会加快冻结黏土轴向累积塑性应变发展速度。冻结黏土轴向累积塑性应变率呈现3种不同变化趋势，提出了基于累积塑性应变速率判别的冻结黏土塑性变形行为划分准则，并建立了冻结黏土塑性安定和塑性蠕变临界动应力表达式，证实了主应力轴旋转条件下冻结黏土临界动应力显著降低。研究结果对冻土工程的设计、施工、稳定评价和寒区资源开发都具有重要的指导意义。     

日本高强度结构钢SM570的弹塑性和延性断裂特性

高强度结构钢材的弹塑性和延性断裂特性是工程应用的基础。通过材性试验、夏氏冲击试验、单调加载试验和相应的数值研究,考察日本高强钢SM570的屈服强度、屈强比、延伸率、延性断裂系数和夏氏冲击能量等相关特性。通过与日本普通强度结构钢SS400、SM490A的对比,发现:日本SM570高强钢虽然屈强比高、伸长率低,但其颈缩后的局部塑性变形能力大、延性断裂参数大和抗冲击韧性高。为更加准确表达在包含延性断裂过程的大变形数值计算中钢材颈缩后的真实应力-真实应变关系,研究提出了一种新的从名义应力-应变数据转化成真实应力-应变关系的换算方法。     

Q460GJ钢高温材性试验研究

通过对Q460GJ钢板(厚度为8,10 mm)进行高温材料性能试验,重点对Q460GJ钢高温应力-应变关系、屈服强度、极限强度进行研究。试验发现:随着温度升高,结构钢强度在300℃之前变化并不明显,而在此之后强度呈下降趋势。将试验结果与不同强度结构钢及其他国家技术标准进行的比较发现:Q460GJ钢比Q235及Q345钢和国外同等强度钢S460具有更好耐火性能,CECS 200∶2006《建筑钢结构防火设计规范》和欧洲钢结构设计技术标准EN 1993所给出的强度折减系数可以用于Q460的抗火设计。还进一步提出了高温下Q460GJ钢的材料模型,为更深入地研究钢构件及结构的耐火性能提供了依据。     

平面应变条件下黄土的竖向加载变形与强度特性分析

针对黄土地区工程建设中的平面应变问题,该文利用西安理工大学真三轴仪,在不同围压条件下进行了不同含水率黄土竖向裂隙向大主应力加载的平面应变试验,研究了原状黄土的平面应变强度、变形特性,以及中主应力变化规律。表明低固结围压条件下,低含水率黄土的平面应力应变曲线呈原生结构损伤软化型;随着固结围压增大,压缩损伤增强,平面应力应变曲线呈次生结构形成硬化型。黄土原生结构损伤软化剪切过程伴随着剪胀变形;压缩损伤次生结构形成剪切过程伴随剪缩变形。平面应变固结竖向加载剪切过程中平面应变方向上的主应力由小主应力逐步转换为中主应力,中主应力系数由单调减小转变为单调增大,破坏时的中主应力系数介于0.15～0.35之间。不同含水率黄土平面应变剪切强度破坏线近似为线性关系;随着含水率的增大,粘聚力明显增大,内摩擦角基本不变。     

考虑水致弱化及应变梯度的断层岩爆分析

研究了岩石含水量对断层．围岩系统稳定性及岩爆(冲击地压)对韧性断层变形的影响。含水量不仅影响岩石强度，也对应力．应变曲线应变软化阶段斜率有影响。基于梯度塑性理论和水致弱化函数，得到了剪切带内部的塑性剪切应变、总剪切应变及塑性剪切位移的分布规律。此外，还得到了不同含水量时剪力．塑性剪切位移的关系。研究结果表明：随着岩石含水量的增加，塑性剪应变降低，塑性剪切位移降低；含水量越大，则弹性阶段越短，耗散势能越小，外力功越小，断层岩爆释放的弹性能量也越小；岩石的含水量增加，则断层．围岩系统不容易发生失稳。     

基于统一强度理论的软岩损伤统计本构模型研究

基于统一强度理论，在考虑洛德参数的基础上，得到随洛德参数和中间主应力系数变化的材料统一强度参数，建立可以考虑中间主应力的统一强度理论平面形式的强度准则。假定软岩微元强度分布统计概率，定义软岩的统计损伤变量，依据统一强度理论建立三轴应力状态下软岩的损伤统计本构模型。通过软岩的常规三轴试验结果对其进行验证，对偏应力-应变的理论结果与试验结果进行比较。研究结果表明，该本构模型能够较好地反映软岩的偏应力-应变关系，尤其是应变软化特性。而且依据统一强度理论和统一强度内摩擦角的发挥，进一步分析表明洛德参数以及中间主应力系数b对偏应力一应变关系有影响，软岩的偏应力-应变曲线先随洛德参数的增大而上升到一定值，而后随洛德参数的增大而降低；随中间主应力系数b的增大而不断增加。     

波纹钢板组合框架节点抗震性能试验研究

基于波纹钢-钢管混凝土组合柱与U形外包波纹钢-混凝土组合梁，以“强节点弱构件”的设计原则提出了一种施工便捷、传力明确的节点连接方式。对中节点试件进行了低周往复加载下的拟静力试验，分析了节点的破坏形态、滞回曲线、耗能能力、延性、梁端塑性铰区以及节点核心区关键部位钢材的应变变化，通过有限元软件对节点进行模拟，并与试验进行对比发现二者吻合较好。研究表明：试件最终破坏的位置为梁端理想塑性铰区，节点核心区域未发生明显破坏，实现了塑性铰的外移；试件滞回曲线饱满，等效黏滞阻尼系数为0.206,延性系数为3.67,说明试件具有较好的耗能能力以及延性。节点域钢材各位置应变分布均匀，传力效果良好，节点核心区未屈服，梁下翼缘塑性铰区应变达到屈服应变，节点工作性能良好，能有效传递弯矩以及剪力。     

循环交通荷载作用下饱和重塑黄土变形特性研究

为研究主应力轴旋转作用下饱和重塑黄土的变形规律,借助空心圆柱扭剪仪开展了排水状态下饱和重塑黄土的循环三轴试验和循环交通荷载试验,主要研究了主应力轴旋转对饱和重塑黄土的竖向塑性累积应变、径向塑性累积应变以及八面体塑性累积剪应变的影响。试验结果表明：(1)主应力轴旋转会使土体产生塑性累积变形;土样的竖向塑性累积变形和八面体塑性累积剪应变随循环次数增加呈对数型增长趋势,且循环竖向应力比和循环扭剪应力比与其呈正相关;径向塑性累积应变初期主要表现为拉应变形式,随荷载作用次数的增加,其值逐渐减小并向相反方向累积。(2)主应力轴旋转会加速相应的竖向塑性累积应变,在其他条件一定时,循环交通荷载作用下试样的变形量是循环三轴试验的数倍。(3)重塑黄土在交通荷载作用下竖向变形远远小于原状软黏土,作为路基填筑材料具有一定的优越性。(4)对现有的竖向塑性累积应变计算模型进行了修正,得到了饱和重塑黄土沉降变形的显式预测模型,并对该模型的有效性进行了分析验证。     

岩样单轴压缩塑性变形及断裂能研究

首先研究了应变软化阶段岩石试件轴向塑性变形。假设局部化开始于峰值强度而轴向塑性位移根源于局部化的剪切位移。剪切带的相对塑性剪切位移与应力水平及剪切带宽度有关，剪切带宽度由梯度塑性理论确定。剪切带的相对塑性剪切位移在轴向的分量为轴向塑性压缩位移。研究结果表明：剪切带倾角对相对应力-塑性变形曲线斜率有一定的影响；若剪切带倾角存在尺寸效应，不同高宽比试件的相对应力-塑性变形曲线不是一条严格直线，而是一个狭窄的区域，类似“马尾”。但是，剪切带倾角对相对应力-塑性变形曲线斜率的影响是有限的，峰后应力-塑性变形曲线的斜率基本上是常量，这与前人的一些试验现象相符。然后，研究了单轴压缩条件下岩石试件全部断裂能的尺度律。全部断裂能由峰前断裂能及峰后断裂能两部分构成。在峰值强度前，采用Scott模型描述了材料的非线性弹性特征，得到了峰前断裂能的解析解。结果表明：峰前断裂能与试件的高度有关。在峰值强度后，材料的剪切应力-塑性剪切应变的本构关系为线性应变软化，采用梯度塑性理论计算了由于剪切带塑性剪切变形而消耗的断裂能。目前提出的关于全部断裂能尺寸效应的解析解的正确性被前人的试验结果的线性回归结果验证。增加试件高度，全部断裂能增加。增加弹性模量，全部断裂能降低。若不考虑剪切带倾角及抗压强度的尺寸效应，全部断裂能存在尺寸效应的原因是：峰前的均匀塑性变形。     

循环荷载作用下锈蚀钢材滞回性能与本构模型

为研究循环荷载作用下锈蚀钢材的滞回性能,采用人工加速腐蚀及自然暴露腐蚀的方法获取了17组锈蚀试件,并对其开展单调拉伸及循环加载试验,分析了单调拉伸曲线、滞回曲线和骨架曲线等的差异性,得到了锈蚀钢材单调拉伸与滞回性能退化规律,基于混合强化模型提出了材料参数随腐蚀程度、等效塑性应变的退化表达式,进而建立了锈蚀钢材塑性本构模型。研究结果表明：单调拉伸作用下,锈蚀导致钢材屈服平台缩短、抗拉强度和断裂伸长率降低;锈蚀钢材单调曲线和滞回曲线存在显著差别,锈蚀加剧钢材循环强化,循环损伤累积则进一步加剧锈蚀钢材延性退化,造成峰值点应变、断裂应变和滞回耗能大幅降低,但对抗拉强度的影响较小。通过锈蚀钢材塑性本构模型应力 应变模拟曲线与试验曲线的对比,验证了所提模型的可靠性。     

考虑存活率的RPC损伤-残余应变曲线

在轴心受压疲劳试验的基础上,对活性粉末混凝土(RPC)的疲劳残余塑性应变进行了Weibull分布检验,以残余塑性应变的变化定义了疲劳损伤,建立了能描述RPC疲劳损伤与残余应变概率关系的曲线。可以直接通过该曲线得到不同存活率下RPC的损伤起始残余应变和破坏极限残余应变,并能通过测量得到的残余应变值判断结构所处的损伤状态。本文的研究为评估RPC结构的可靠度提供了一种实用方法。     

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。     

岩样单轴拉伸应变局部化及全程应力-应变曲线

基于梯度塑性理论，考虑了应变局部化，提出单轴拉伸条件下岩样全程应力一应变曲线解析解。沿试样长度方向的总应变的微分被认为由两部分构成：可恢复的弹性应变的微分和不可恢复的塑性应变的微分。根据虎克定律，弹性应变的微分依赖于应力的微分及弹性模量。塑性应变的微分与应力的微分、试样高度、软化模量及局部化带的厚度有关，局部化带的厚度由梯度塑性理论确定。根据总应变的微分等于弹性及塑性应变的微分之和这一假设，在峰后线性应变软化本构关系的情形下，得到全程应力一应变曲线的解析解。通过与DeBorst及Muhlhaus基于梯度塑性理论得到的数值解对比，分别验证局部化带内部塑性应变分布解析解及内部长度对全程应力-应变曲线的影响。研究有关的本构参数（弹性模量及软化模量）及试样高度对全程应力-应变曲线的影响。