钢结构的高周疲劳损伤有限元分析模型研究

摘要

金属结构的疲劳破损是工程界早已发现的问题，就金属结构的总体来看，大约80％～90％的破坏事故和疲劳与断裂有关。随着焊接结构的发展与结构使用的频繁程度加剧，土建钢结构疲劳破损问题日益突出。而目前针对公路桥梁和工业与民用建筑钢结构的现行规范(如GB50017-2003)一般仅通过简单的线性累积损伤法则和一定的构造要求来保证结构或构件在使用期间不发生疲劳破坏，适用范围较窄，计算结果比较粗糙，对于复杂结构或构件的疲劳分析更是无能为力。而土建钢结构在正常使用时(除如地震等特殊情况外)的疲劳破坏又大多是高周疲劳破坏，即当破坏断裂时没有明显的塑性变形，破坏突然，危害大。因此，建立疲劳模型对钢结构进行疲劳分析具有重要的意义。 本文以吴堡黄河钢桁架桥的加固工程为依托，针对公路桥梁和工业与民用建筑钢结构的特点，并结合疲劳损伤理论与有限元分析方法，初步建立了钢结构的高周疲劳损伤有限元分析模型。 本文在理论分析的基础上，对无缺口钢试件的高周疲劳和低周疲劳进行分析，总结出来了弹性疲劳损伤和塑性疲劳损伤，并得出不同疲劳损伤时的损伤演化规律，同时对损伤演化的算法以及一些材料常数的确定进行了研究和讨论。然后，本文通过通用有限元程序ANSYS来模拟缺口钢试件在高周等幅应力循环下的裂纹开展和弹塑性区分布等情形，完整描绘了其应力场、应变场以及损伤场的变化全过程，与试验结果作对比，对模型的适用性和实用性进行分析和评价。 本文提出了用有限元分析程序对复杂结构或构件进行疲劳分析的基本思路，用有限元分析疲劳问题一方面可以降低疲劳研究的成本，另一方面可以使对复杂结构或构件进行理论疲劳分析成为可能，具有很大的发展潜力。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号表

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第1章绪论

1.1疲劳概述

1.1.1疲劳研究发展简史

1.1.2疲劳分类

1.1.3疲劳设计

1.2钢结构的疲劳破损和疲劳设计

1.2.1钢结构的疲劳破损

1.2.2钢结构的疲劳设计

1.3课题的来源和背景

1.4本文研究的目的和主要内容

第2章损伤本构关系和损伤演化方程

2.1概述

2.2损伤本构关系的确定

2.2.1损伤力学概述

2.2.2含内变量的不可逆热力学基础

2.2.3损伤弹塑性本构关系

2.2.4加载与卸载准则

2.3损伤演化方程的确定

2.3.1损伤的定义

2.3.2应变等价原理

2.3.3损伤演化方程

2.3.4断裂判据

第3章疲劳损伤演化规律

3.1概述

3.1.1本章主要内容

3.1.2疲劳损伤建模的基本思想

3.1.3基本假设

3.2疲劳损伤分析

3.2.1弹性疲劳损伤分析

3.2.2塑性疲劳损伤分析

3.3材料常数的确定

3.3.1弹性疲劳损伤材料常数的确定

3.3.2塑性疲劳损伤材料常数的确定

3.3.3弹性与塑性疲劳损伤的界限

3.4计算实例

3.4.1弹性疲劳损伤分析计算

3.4.2塑性疲劳损伤分析计算

3.5几点讨论

第4章高周疲劳损伤有限元分析

4.1概述

4.2损伤有限元分析

4.2.1概述

4.2.2损伤弹塑性问题的增量方程

4.2.3增量有限单元格式

4.2.4损伤弹塑性有限单元分析

4.2.5平衡方程的求解

4.2.6损伤引入的基本思路

4.3试验研究与试验结果

4.4高周疲劳损伤有限元计算

4.4.1 ANSYS概述

4.4.2ANSYS疲劳损伤建模

4.4.3计算结果

4.5几点讨论

第5章结论与展望

5.1结论

5.2展望

致谢

参考文献