焊接结构非线性动力响应与局部疲劳损伤演化同步试验观测与分析

摘要

结构中的局部损伤演化和疲劳累积是结构失效的主要原因。因此，进行结构疲劳损伤演化过程和及其对结构响应影响的测试以认识结构损伤诱致结构失效机理，在损伤分析理论研究工程应用上都具有非常重要的意义。本文的研究目标是通过试验手段探讨构件和含焊接细节的结构在疲劳损伤演化过程中的损伤特征描述和结构非线性响应规律。文中预制裂纹的焊接构件和某钢箱梁纵向加劲桁架结构典型标准段的缩尺试样为研究对象，设计了焊接结构非线性动力响应与局部疲劳损伤演化的同步测试试验，研究了疲劳损伤过程测试与记录结果的量化分析方法；分析了焊接结构局部疲劳损伤演化规律以及局部疲劳损伤演化过程对整体非线性响应的影响。本文的主要工作和研究成果如下：
　　 1.针对结构非线性动力响应与局部疲劳损伤演化同步测试与损伤量化分析研究的需要，考察了基于电测技术的局部损伤测试方法、基于数字图像技术的疲劳裂纹扩展测试与量化方法以及基于模态参数的结构损伤测试方法，将三种测试手段相结合作为本文结构非线性动力响应与局部疲劳损伤演化同步测试与量化分析的方法。
　　 2.基于三种测试手段的同步实施，进行了焊接构件非线性响应与疲劳损伤同步测试试验，实时观测焊接构件焊缝细节附近损伤区域应变分布与表面疲劳裂纹扩展情况，总结焊接构件局部疲劳损伤演化过程规律和焊接构件响应规律。分析结果表明：疲劳损伤演化初期，初始裂纹尖端的塑性区尺寸呈非线性规律逐渐增长；疲劳裂纹扩展至金属表面以后，疲劳裂纹扩展呈非线性规律，疲劳裂纹扩展速率逐渐增大；在疲劳损伤演化初期，焊接构件疲劳损伤程度与载荷循环次数基本呈线性关系；建立了初始裂纹尖端塑性区尺寸与焊接构件截面损失面积以及损伤程度的变化关系，得到局部疲劳损伤演化过程对焊接构件整体响应的影响。
　　 3.在对试样结构进行有限元数值模拟的基础上，研究了焊接钢桁架结构非线性响应与局部疲劳损伤同步测试的试验方案。实时观测了循环载荷作用下焊接钢桁架结构焊缝细节附近损伤区域的热点应力分布情况、表面疲劳裂纹形态以及整体非线性动力响应情况。结合焊接构件疲劳试验结果，分析了焊接钢结构局部疲劳损伤演化机理和在局部疲劳损伤过程中结构的非线性响应规律，建立了焊接结构整体响应变化与局部疲劳损伤程度的变化关系。分析结果表明：在疲劳裂纹扩展阶段，局部疲劳损伤程度与载荷循环次数的关系基本上为二次非线性关系；焊接钢桁架结构的基频对局部疲劳损伤并不敏感，高阶频率对局部疲劳损伤较为敏感；随着局部损伤程度的增加，不与含疲劳裂纹的结构节点相连的斜杆CE的一阶弯曲固有频率基本上保持不变，而与含疲劳裂纹的结构节点相连的斜杆AE的一阶弯曲固有频率则呈线性下降的规律。

目录

文摘

英文文摘

基金项目

第一章 绪论

1.1 问题的提出

1.2 相关领域研究现状

1.2.1 结构非线性响应测试

1.2.2 疲劳损伤过程测试

1.2.3 疲劳损伤累积诱致结构失效

1.3 本文的主要工作

第二章 结构响应与局部疲劳损伤演化同步测试与量化分析方法研究

2.1 局部疲劳损伤测试方法的确定

2.2 基于电测技术的局部损伤测试方法

2.2.1 电测法测试方案

2.2.2 基于LabVIEW语言的实时数据采集与分析系统

2.3 基于数字图像技术的疲劳损伤测试与量化

2.3.1 表面疲劳裂纹观测

2.3.2 断口分析

2.3.3 疲劳损伤的量化

2.4 基于模态参数的结构损伤测试与量化方法

2.5 本章小结

第三章 焊接构件非线性响应与疲劳损伤过程测试和分析

3.1 试验方案与试验过程

3.1.1 构件设计

3.1.2 应变测点布置方案

3.1.3 构件试验中测试数据实时采集与分析软件

3.1.4 数字图像采集系统

3.1.5 加载方案

3.2 不同程度初始损伤下构件响应与局部损伤分析

3.2.1 不同程度初始损伤下焊接构件裂纹尖端应变集中情况

3.2.2 不同程度初始损伤下焊接构件裂纹尖端塑性区尺寸

3.3 疲劳损伤与构件响应测试结果处理与分析

3.3.1 不同程度初始损伤下焊接构件裂纹尖端应变集中曲线修正

3.3.2 裂纹尖端应变集中系数变化与塑性区扩展规律

3.3.3 含初始裂纹构件表面疲劳裂纹扩展规律

3.3.4 断口分析、疲劳损伤程度量化以及疲劳裂纹前端塑性带形态

3.3.5 疲劳损伤演化规律与构件响应结果分析

3.4 本章小结

第四章 焊接钢桁架结构响应与局部疲劳损伤演化同步测试

4.1 试验方案研究

4.1.1 焊接钢桁架结构试验系统简介

4.1.2 含初始损伤的焊接钢桁架结构应变分布规律

4.1.3 焊接钢桁架结构疲劳损伤演化模拟分析

4.2 焊接钢桁架结构响应与局部疲劳损伤演化同步测试试验方案

4.2.1 应变测点布置与整体刚度测量方案

4.2.2 加载方案

4.2.3 结构试验中测试数据实时采集与分析软件

4.2.4 数字图像采集装置

4.3 试验数据结果处理与分析

4.3.1 焊接残余应变

4.3.2 疲劳损伤演化初期初始裂纹尖端区域应变分布规律

4.4 本章小结

第五章 焊接钢桁架结构响应与局部疲劳损伤演化同步规律研究

5.1 焊接钢桁架结构局部疲劳损伤演化规律研究

5.1.1 基于裂纹尖端塑性区尺寸的局部疲劳损伤演化规律研究

5.1.2 基于数字图像技术的疲劳裂纹扩展规律研究

5.1.3 局部疲劳损伤演化机理分析与规律研究

5.2 局部疲劳损伤演化对焊接钢桁架结构非线性响应的影响研究

5.3 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 完成的主要工作及主要成果

6.2 后续研究工作展望

参考文献

致谢