考虑损伤累积效应的铸钢材料本构模型研究

摘要

从损伤力学角度来讲，在外部荷载作用下，材料内部微细结构将发生变化，产生微裂纹、微孔洞等损伤。材料的损伤累积效应将引起材料宏观物理力学性能逐渐劣化，即材料刚度及强度降低，最终导致材料破坏。在循环荷载作用下，材料损伤累积效应更加显著，需要更加精细化的材料本构模型才能对结构性能展开精确模拟，因此建立考虑损伤累积效应的材料本构模型是十分必要的。 为研究循环荷载作用下，材料损伤累积效应对材料宏观物理力学性能的影响，本文提出了一种新型损伤模型以考虑强化阶段等效塑性应变对材料刚度及强度的影响，基于此建立了考虑损伤累积效应的材料本构模型。其次，编写了ABAQUS材料用户子程序VUMAT，通过数值模拟调用材料本构子程序，实现了所提出的本构模型在有限元中的应用。通过数值模拟与材料滞回性能试验滞回曲线对比，验证了材料用户子程序的正确性以及考虑损伤累积效应的材料本构模型的适用性。基于OpenSEES平台，采用纤维梁单元及Hysteretic Material本构模型对材料滞回性能试验进行数值模拟，并通过与试验数据进行误差分析，提出了损伤参数的建议取值。最后，通过铸钢材料滞回性能试验获得铸钢材料损伤参数，提出铸钢材料损伤本构模型，综合钢材及铸钢材料损伤本构理论与试验研究提出材料损伤本构模型实施方法。本文主要结论如下： 1）本文考虑强化阶段等效塑性应变增量对材料刚度和强度的影响，提出了一种损伤变量模型，更能精细化地模拟材料损伤累积效应。 2）将改进的损伤变量作为材料本构方程内变量，引入到材料弹塑性本构模型中，对材料弹性模量及屈服强度进行衰减，提出了考虑损伤累积效应的材料本构模型。经验证，材料本构模型的适用性良好，可实现材料在循环荷载作用下由于损伤累积效应导致的材料宏观力学性能的劣化。 3）开展了G20Mn5QT铸钢材料滞回性能试验。试验所获得滞回曲线饱满，说明铸钢材料具有较强的耗能能力。确定铸钢材料损伤参数 β、ξ1及ξ2分别为0.0051、0.1248及0.2562，并建立了铸钢材料考虑损伤累积效应的本构模型，其极限拉应力数值模拟结果与试验结果误差在10%以内。

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