Q235B钢基于细微观断裂模型的参数校定与节点应用

摘要

基于微观断裂模型预测钢结构的延性断裂更具有现实意义。细观损伤力学模型（GTN）参数的个数较多。应力修正临界应变模型（SMCS）和孔隙增长模型（VGM）中分别有材料韧性参数α和η,均适用于单调荷载作用下的断裂预测。与SMCS和VGM模型相对应的退化有效塑性应变模型（DSPS）和循环孔隙增长模型（CVGM）中除了分别带有α和η参数外，还有反映结构在反复荷载作用下的损伤参数λDSPS和λCVGM，两者适用于极低周循环荷载工况。此外，所有的模型中都含有特征长度这一参数。本文采用张沛的单轴拉伸和循环往复加载试验结果以及断口的扫描电镜试验结果，再结合 ABAQUS软件对相应试件进行有限元模拟，校定了Q235B钢的上述5种细微观断裂模型的参数。试件取材于4种材料：Q235B热轧无缝管母材以及冷弯钢管（母材、焊缝、热影响区）。最后，基于GTN、VGM和 SMCS这3种断裂模型对缺口试件分别进行有限元分析，并与试验结果对比，发现 VGM模型对断裂位移和断裂荷载的预测更为精确，但从预测断裂后承载能力的发展过程来看，GTN模型明显优于 SMCS、VGM模型，本文参数校定的结果都可以应用于材料断裂破坏的预测。
　　本文基于细观损伤力学模型 GTN预测了单调荷载作用下梁柱焊接节点的开裂位置以及断裂破坏的过程，与基于孔隙增长模型(VGM)和应力修正临界应变模型(SMCS)的有限元分析结果相比，从断裂后的发展趋势来看，基于GTN模型的有限元分析结果与已有的试验结果更吻合；焊接孔的形状对节点的断裂破坏具有显著影响，相比标准圆型焊接孔，扩大孔型焊接孔使得节点承载能力略微降低，但却很好地延缓了节点断裂。本文基于 VGM模型分析了最先失效单元的应力三轴度和等效塑性应变，发现断裂发生时，最先失效单元的等效塑性应变达到最大值，而应力三周度的峰值出现在断裂之前。本文在TS-1节点基础上进行了梁翼缘削弱设计，通过对比三个削弱参数对节点承载性能的影响发现，削弱深度 c的影响最为明显，削弱起始距离α次之，削弱区域长度b对节点的承载性能几乎没有影响。通过分析沿梁长度方向的Mises应力分布，发现合理的削弱参数可以使塑性铰转移到削弱区，降低节点根部的应力，也不会导致节点承载力下降过多。

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第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 节点连接

1.3 梁柱节点震害分析

1.4 节点断裂原因分析

1.5 节点的延性设计

1.6 国内外研究动态

1.7 本文研究的主要内容

第2章 微观断裂损伤模型理论基础

2.1 断裂力学基本理论

2.2 损伤力学基本理论

2.3 微观断裂机理的研究

2.5 往复加载下的微观损伤模型

2.6 特征长度

2.7 本章小结

第3章 单调荷载下的微观损伤模型损伤参数的标定

3.1 Q235B圆棒试件的单轴拉伸试验

3.2 有限元建模

3.3 SMCS断裂模型参数α的标定

3.4 微观断裂模型VGM韧性参数η的标定

3.5 GTN模型参数的标定

3.6 VGM、SMCS、GTN模型参数的可靠性对比

3.7本章小结

第4章 往复加载下的微观损伤模型参数校正

4.1 Q235B圆棒试件往复加载试验

4.2 有限元模拟

4.3 往复加载下的微观损伤模型损伤退化参数的校正

4.4 本章小结

第5章 基于细观损伤模型GTN对节点的应力分析

5.1 已有的节点试验结果

5.2 有限元建模

5.3 节点荷载位移曲线

5.4 梁下翼缘焊缝的应力分布

5.5 梁翼缘削弱对应力分布的影响

5.6 本章小结

第6章 基于三种微观断裂模型对节点的有限元分析

6.1 有限元模型

6.2 节点的断裂预测

6.3 基于三种断裂模型的荷载位移曲线分析

6.4 梁翼缘几何参数对节点承载能力的影响性分析

6.5 焊接孔形式对节点承载能力的影响性分析

6.6 本章小结

结论

参考文献

致谢