基于损伤力学的正交异性板疲劳裂纹形成寿命研究

摘要

作为现代大跨度钢结构桥梁中广泛采用的桥面板结构形式，正交异性钢桥面板因构造复杂、焊缝众多、局部应力集中突出以及超载等内外因素的共同作用而导致其疲劳问题频发。论文从改进正交异性钢桥面板疲劳裂纹形成寿命预测方法的精度、效率以及便于工程应用的角度出发，针对钢桥面板横隔板U肋焊缝部位在循环荷载下的疲劳损伤发展过程，引入基于损伤力学的疲劳裂纹形成寿命理论预测模型和损伤等效应力概念，结合有限元数值计算方法预测该疲劳易损细节的疲劳裂纹形成寿命，并与疲劳试验和局部应力应变法的预测结果进行综合比较。
　　论文主要完成了以下五个方面的工作:(1)依据目前常用的疲劳裂纹形成寿命预测方法的基本原理、假设与分析过程，对各种方法在适用范围、工程应用、试验依赖程度以及存在的缺陷和改进措施等方面的异同进行了对比分析，可为选择适合的寿命预测方法提供参考;(2)在对国内外正交异性钢桥面板典型疲劳易损部位进行调查分析的基础上，根据足尺节段模型疲劳破坏试验的开展和疲劳寿命分析二阶段模型的划分依据，针对最早形成疲劳裂纹的横隔板U肋焊缝位置，运用疲劳试验方法预测其疲劳裂纹形成寿命;(3)基于损伤力学引入非线性连续损伤演化模型，通过损伤等效应力概念将三维应力状态下的各向同性损伤转换为单向受力问题，运用有效应力法计入损伤场与应力应变场的耦合效应，编制C语言相关程序实现疲劳易损部位的非线性损伤累积和疲劳裂纹形成寿命预测。研究表明:该方法具有较高的疲劳寿命预测精度，且便于工程应用;(4)采用局部应力应变法修正公式预测横隔板U肋焊缝位置的疲劳裂纹形成寿命以对损伤力学—有效应力法的预测结果进行综合验证。(5)系统对比三种疲劳裂纹形成寿命预测方法，分析结果表明:基于损伤力学的有效应力法具有误差小、效率高、试验依赖程度低、便于应用等优点，是较为合理有效的疲劳裂纹形成寿命理论分析方法，可推广应用于正交异性钢桥面板疲劳寿命的预测。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 疲劳裂纹形成寿命研究综述

1．2．1 疲劳裂纹形成寿命预测方法

1．2．2 疲劳裂纹形成寿命研究的现状

1．3 损伤力学在疲劳寿命估算中的应用

1．4 论文背景、选题依据和研究意义

1．4．1 论文背景

1．4．2 选题依据

1．4．3 研究意义

1．5 研究内容

1．5．1 主要研究内容

1．5．2 研究方法

1．5．3 技术路线和实施方案

第2章 损伤力学基本理论

2．1 损伤变量与有效应力

2．1．1 损伤变量

2．1．2 有效应力

2．2 等效应力理论与应变等价原理

2．2．1 等效应力理论

2．2．2 应变等价原理

2．3 损伤演化方程

2．4 损伤力学的基本方程和边界条件

2．4．1 平衡方程

2．4．2 变形几何方程

2．4．3 本构方程

2．4．4 边界条件

2．5 小结

第3章 基于损伤力学的疲劳裂纹形成寿命预测方法

3．1 疲劳损伤的数值计算方法

3．1．1 全解耦方法

3．1．2 全耦合方法

3．1．3 局部耦合方法

3．2 损伤力学—有效应力法

3．2．1 损伤计算与有限元计算的结合

3．2．2 损伤等效应力与有效应力法

3．3 常幅疲劳裂纹形成寿命的近似计算

3．4 小结

第4章 关键易损部位疲劳裂纹形成寿命预测

4．1 关键疲劳易损部位的确定

4．2 损伤力学—有效应力法预测疲劳裂纹形成寿命

4．2．1 寿命预测的关键问题

4．2．2 疲劳裂纹形成寿命预测

4．3 基于实测数据的疲劳裂纹形成寿命预测

4．3．1 疲劳试验分析

4．3．2 易损部位疲劳寿命预测

4．4 局部应力应变法预测疲劳裂纹形成寿命

4．4．1 局部应力应变法的理论基础

4．4．2 高周疲劳裂纹形成寿命预测

4．5 疲劳裂纹形成寿命预测方法的综合比较

4．6 有效应力法试验验证的初步探讨

4．7 小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间参加的科研项目