考虑缺陷和过焊孔影响的隔板贯通式节点延性断裂行为研究

摘要

强震作用下，钢结构受反复荷载作用会产生较大累积塑性变形。特别是超高层钢结构，在长周期地震动影响下，累积损伤效应会被一定程度放大。随着断裂力学和损伤力学等破坏力学的发展，钢结构梁柱节点在较大累积塑性变形驱动下的延性断裂问题备受关注，并且取得了突破性进展。 本文着眼于焊接缺陷和过焊孔形式对隔板贯通式梁柱节点的延性断裂行为的影响，借助已有试验模型建立ABAQUS有限元模型，基于Chaboche混合硬化材料本构模型和微观断裂判据，采用隐式分析方法进行较为准确的节点延性断裂预测，并对延性开裂到一定程度后关键部位的断裂性能进行分析。主要研究内容和成果如下： (1) 完善实现材料非线性与延性断裂模拟需要编写的材料模型与断裂判据的UMAT子程序，提出延性断裂预测到一定程度后引用断裂指数的节点断裂性能评估方法。 (2) 利用包含Chaboche混合硬化材料本构模型与微观断裂判据的扩展子程序对已有试验中的隔板贯通式节点进行有限元模拟，计算模型中包含在梁翼缘与横隔板对接焊缝处设置的人为缺陷，结果表明：设置缺陷后的有限元模型在一定程度上模拟了引弧板与母材相接处的人工裂纹，所以有缺陷模型最终在上翼缘与横隔板对接焊缝处发生开裂，与试验结果符合较好。缺陷不仅是应力集中的诱因，较大累积塑性变形驱动下缺陷处的等效塑性应变值有时也会较大，进而会加速焊缝或焊缝附近热影响区的延性开裂。 (3) 焊孔形式对节点延性断裂行为的影响研究结果表明：焊孔形式对首次开裂位置影响不大，但对首次开裂时刻影响较大；两种过焊孔节点在首次开裂时受等效塑性应变与等效应力协同作用影响，在第二次开裂时焊孔形式对等效应力影响较小，但对等效塑性应变影响较大；作为失效参数的等效塑性应变和应力三轴度相互作用诱发开裂发生，焊孔形式的不同有时会造成等效塑性应变与应力三轴度的一方起主导作用，另一方影响相对较小。 (4) 焊孔形式的不同对节点的滞回性能有一定影响，I型过焊孔节点的耗能能力低于II型过焊孔节点；承载力方面，II型过焊孔节点优于I型过焊孔节点。I型过焊孔节点的刚度退化早于II型过焊孔节点，且在后续的开裂过程中，刚度系数 要略小于II型过焊孔节点。 (5) 延性开裂至一定程度后关键部位的断裂性能分析方法具有辅助断裂预测的作用，分析结果表明：I型过焊孔节点在上翼缘对接焊缝处沿翼缘宽度方向发生断裂的可能性较大，II型过焊孔节点在下翼缘对接焊缝处沿翼缘宽度方向发生断裂的可能性较大；过焊孔与翼缘相交位置处沿翼缘宽度方向的开裂趋势将会从开裂处继续向两端扩展；此外，局部屈曲的发生会降低断裂指数，缓解开裂发展。

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摘 要

Abstract

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 钢结构梁柱节点断裂行为研究现状

1.2.1 钢材的断裂机制

1.2.2 钢结构梁柱节点脆性断裂行为研究现状

1.2.3钢结构梁柱节点及其延性破坏研究现状

1.3 钢结构节点断裂预测方法研究现状

1.3.1 传统断裂力学预测方法研究现状

1.3.2 基于微观机制的钢结构节点延性断裂预测方法研究现状

1.4循环硬化材料本构模型研究现状

1.5研究目标与研究内容

1.6 论文架构

第2章 延性断裂模拟与断裂性能评估方法

2.1 ABAQUS分析模块的确定

2.1.1 显示分析模块

2.1.2 隐示分析模块

2.2 ABAQUS中的非线性问题

2.2.1 几何非线性

2.2.2 材料非线性

2.3非线性问题的求解方法

2.3.1迭代步、增量步、分析步的概念

2.3.2非线性问题的求解过程

2.4材料非线性与延性断裂模拟的实现

2.4.1用户材料子程序

2.4.2混合硬化本构模型

2.4.3 基于循环空穴扩张模型（CVGM）开裂判据的描述

2.5 ABAQUS中相关技术的应用

2.5.1 生死单元技术

2.5.2 重启动分析技术

2.6 断裂性能评估方法

2.6.1 等效塑性应变指数PI

2.6.2 开裂指数RI

2.7 本章小结

第3章 考虑缺陷影响的节点延性断裂预测

3.1 既有试验概况

3.1.1 试验模型

3.1.2 材料特性

3.1.3试验加载

3.2 ABAQUS有限元分析

3.2.1 材料参数

3.2.2 单元类型选择与网格划分

3.2.3分析步的设置

3.2.4 约束条件与边界条件的设置

3.2.5加载制度

3.2.6 加载后的模拟流程

3.3试验与有限元模拟结果的对比分析

3.3.1 开裂时点对比分析

3.3.2应力、应变分布特点

3.3.3 滞回曲线对比分析

3.3.4 骨架曲线对比分析

3.4尚未开裂部位的断裂性能评估

3.4.1 断裂性能评估的路径设置

3.4.2 断裂性能分析

3.5本章小结

第4章 焊孔形式对节点延性断裂影响

4.1 焊孔形式

4.2节点有限元模型

4.3 破坏状态对比分析

4.3.1 开裂时点对比分析

4.3.2 不同开裂时点节点应力、应变状态

4.4 开裂单元失效参数对比分析

4.4.1 I型过焊孔失效参数分析

4.4.2 II型过焊孔失效参数分析

4.4 受力性能对比分析

4.4.1 滞回性能对比分析

4.4.2 骨架曲线对比分析

4.4.3 刚度对比

4.5尚未开裂部位的断裂性能评估

4.6 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况

致 谢