微观机制断裂理论在高强钢材料及钢结构断裂预测分析中的应用研究

摘要

高强度钢材由于其良好的性能近年来广泛应用于大型、超高层等重要性建筑中，其断裂力学行为关乎领域内结构的整体安全性能。目前，国内外对高强钢断裂性能的研究仍处于探索阶段，尚未有成熟有效的断裂力学方法供实际工程使用。因此，探索高强钢的断裂力学行为，提出合理的断裂力学方法将为高强钢结构的推广应用奠定重要的基础。
　　微观机制断裂理论，作为目前力学领域中一种先进的材料失效理论，为解释结构钢材料的延性断裂问题提供了新的方法。与经典的断裂力学方法相比，这类新的断裂理论考虑了材料微观机制与复杂应力状态对材料断裂性能的影响，可准确地预测无初始缺陷金属材料的延性断裂起始与裂纹扩展，因此为高强钢结构断裂预测提供了新的途径。目前，有关微观机制断裂理论新方法的研究多局限在力学及其它工程领域中，而其在钢结构领域中的应用研究依然很少。在这种背景下，系统地考察这类断裂理论新方法在结构钢材料中的应用效果将为大型钢结构断裂预测提供重要的工程指导意义。
　　本文以国产Q460高强钢及焊缝材料为研究对象，分别采用试验研究、理论分析与数值模拟相结合的方式，紧密围绕“材料性能→力学理论方法→工程应用”三个层次方面的内容，对微观机制断裂力学理论在我国高强结构钢断裂预测中的适用性进行了系统地考察，并将这些断裂力学方法推广应用于大型钢结构多轴复杂应力状态下的断裂预测分析中，从而为工程结构失效分析提供了有效的方法。本文的主要研究工作和成果如下：
　　（1）率先对我国Q460高强结构钢多轴复杂应力状态下的断裂性能进行了系统地研究。利用四种类型切口试件获取了Q460高强钢不同应力状态下的断裂性能，采用电子显微镜观测了材料不同应力状态下的微观断裂机制，着重考察了应力三轴度与Lode角参数对Q460高强钢延性与微观断裂机制的影响，并将所得结果与其它牌号结构钢的断裂性能进行了对比，为高强钢结构选材、断裂模型校准及断裂预测提供核心的材性参数。
　　（2）首次完成了三维非耦合型断裂理论在我国高强钢材料断裂预测分析中的可行性验证研究。基于Q460钢切口试件的试验结果，对9种Lode角依赖型非耦合型断裂模型进行了校准，并对各模型的断裂轨迹、固有特点及预测精度进行了系统地考察。通过对比分析得到了精度最高且最适合我国Q460高强钢的断裂模型，并利用切口试件试验结果对三维非耦合型断裂模型的应用效果进行了检验，从而为高强钢结构断裂预测分析提供了有效的方法。
　　（3）系统地考察了临界距离理论在高强钢切口试件断裂预测分析中的适用性与应用效果。首先，利用切口圆棒试件对Q460高强钢的临界距离理论参数进行了校准。随后，利用校准的临界距离理论对平板槽口试件、剪切型与拉剪型平板切口试件的断裂性能进行了预测与评估。研究结果表明，临界距离理论可以准确地预测我国高强钢切口试件多轴复杂应力状态下的断裂起始位置与极限强度，这为该理论进一步在实际钢结构断裂预测分析中应用奠定了理论与试验基础。
　　（4）完成了三维非耦合型断裂理论在高强钢焊接试件断裂预测分析中的推广应用。基于切口圆棒试件、平板槽口试件试验结果及Bridgman公式对高强钢焊缝材料的三维非耦合型断裂模型进行了校准，并将所校准的断裂模型应用于三种类型高强钢焊接试件的断裂预测分析中，分析了焊接试件加载过程中的损伤演化，并利用断裂模型模拟了试件上的裂纹扩展历程，考察了三维非耦合型断裂模型在高强钢焊接试件中的应用效果，从而为微观机制断裂理论在钢结构断裂预测分析中应用提供参考与指导。
　　（5）提出一种全新通用且适合于钢结构工程应用的三维非耦合型断裂模型。该模型在Xue-Wierzbicki模型的基础上，结合工程实际情况，利用经典的Tresca破坏准则及Swift硬化法则简化得来。该模型优点在于模型中断裂参数可直接利用材料的应力-应变曲线进行校准。这使得模型的校准难度极大降低，并可直接用于预测不同牌号、不同类型钢结构的断裂问题。随后，本文将提出的断裂模型应用于大型钢管节点的断裂预测分析中，通过对比试验与数值模拟分析结果，对本文断裂模型的正确性进行了验证，所得研究成果为大型钢结构断裂预测提供了一种有效的方法。

目录

第一章 绪 论

1.1 选题背景与意义

1.2 断裂力学理论研究现状

1.3 微观机制断裂理论在钢结构工程领域中的应用现状

1.4 现有研究的不足

1.5本文的研究目标与研究内容

第二章 Q460高强钢多轴复杂应力状态下的断裂性能：应力三轴度与Lode角参数影响效应研究

2.1引 言

2.2本研究的流程与步骤

2.3应力三轴度、Lode角参数及断裂应变的定义

2.4 Q460高强钢切口试件断裂试验

2.5 试验设备及加载方案

2.6 试验结果与分析

2.7 Q460钢材微观断裂机制分析

2.8 数值模拟分析

2.9 数值模拟分析结果

2.10 讨 论

2.11 国产结构钢及焊缝材料延性性能对比

2.12 本章小节

第三章 三维非耦合型断裂理论在高强钢材料中的适用性研究

3.1引 言

3.2 主应力、应力三轴度及Lode角参数的转换公式

3.3 非耦合型断裂模型在 (η,θ,εf)三维空间中的构建

3.4断裂模型的校准与对比分析

3.5 Q460钢切口试件裂纹扩展的数值模拟

3.6 本章小节

第四章 临界距离理论在高强钢切口试件断裂预测分析中的适用性研究

4.1 引 言

4.2 临界距离理论的基本原理

4.3 Q460高强钢临界距离理论参数校准

4.4 Q460钢切口试件断裂起始位置与极限强度预测

4.5讨 论

4.6 本章小节

第五章 三维非耦合型断裂理论在高强钢焊接试件断裂预测分析中的应用

5.1引 言

5.2 高强钢焊缝材料断裂参数校准

5.3 三维非耦合型断裂模型在高强钢焊缝试件断裂预测分析中的应用

5.4 本章小节

第六章 一种新三维断裂模型的提出及其在钢结构节点断裂预测分析中的应用

6.1引 言

6.2 新的断裂模型

6.3 参数分析

6.4 本文模型在切口试件层次上的验证

6.5 本文模型在钢管节点断裂预测分析中的应用

6.6 本章小节

结论与展望

主要研究结论

本文主要创新点

展望

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢