低合金鋼超高周疲勞若干基本問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)研究

本項(xiàng)目圍繞材料超高周疲勞損傷破斷涉及的3個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題：疲勞裂紋從表面起源和從內(nèi)部起源的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，超高周疲勞裂紋源微區(qū)的變形和損傷特征，加載頻率變化對(duì)超高周疲勞行為的影響規(guī)律；以低合金鋼為例，以實(shí)驗(yàn)研究為手段，探索超高周疲勞的裂紋萌生過(guò)程與特征、超高周疲勞的裂紋擴(kuò)展行為與斷裂特征、不同強(qiáng)度級(jí)別材料高周至超高周疲勞行為比較、常規(guī)頻率和超聲頻率對(duì)超高周疲勞行為的影響。預(yù)期：揭示超高周疲勞的裂紋萌生、擴(kuò)展和破斷的基本特征；闡明超高周疲勞裂紋從材料內(nèi)部起源的微結(jié)構(gòu)因素和力學(xué)機(jī)制；闡明微結(jié)構(gòu)不同及其呈現(xiàn)的強(qiáng)度級(jí)別不同對(duì)超高周疲勞行為的影響趨勢(shì)；認(rèn)識(shí)加載頻率變化對(duì)超高周疲勞特性的影響規(guī)律。

近二十年來(lái)，地球進(jìn)入強(qiáng)震周期，金屬材料在超低周疲勞加載下的延性斷裂問(wèn)題成為金屬結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)問(wèn)題之一?！稄?qiáng)震下金屬結(jié)構(gòu)的超低周疲勞破壞》主要闡述金屬結(jié)構(gòu)在地震等超大塑性循環(huán)加載下的延性破壞機(jī)理、理論分析模型、數(shù)值仿真模擬方法以及相關(guān)理論在金屬材料、構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)和結(jié)構(gòu)層面的應(yīng)用，是作者近10年來(lái)相關(guān)研究成果的薈萃。

《強(qiáng)震下金屬結(jié)構(gòu)的超低周疲勞破壞》面向的讀者包括對(duì)金屬結(jié)構(gòu)感興趣的本科生、研究生、研究鋼和鋁合金結(jié)構(gòu)的研究人員，以及涉及循環(huán)大塑性加載相關(guān)應(yīng)用的結(jié)構(gòu)工程師。

序

前言

第1章 概論

1．1 研究背景

1．1．1 超低周疲勞的內(nèi)涵

1．1．2 鋼構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的屈曲后超低周疲勞破壞

1．1．3 鋼框架焊接梁柱節(jié)點(diǎn)的超低周疲勞破壞

1．2 延性斷裂

1．2．1 簡(jiǎn)介

1．2．2 結(jié)構(gòu)工程中延性斷裂相關(guān)研究

1．3 研究目標(biāo)

1．4 本書框架內(nèi)容

第2章 單調(diào)加載下大應(yīng)變域的結(jié)構(gòu)鋼應(yīng)力-應(yīng)變特性

2．1 概述

2．2 頸縮后真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變

2．2．1 真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變的定義

2．2．2 頸縮發(fā)生的條件

2．2．3 簡(jiǎn)單修正法

2．2．4 加權(quán)平均法

2．2．5 修正加權(quán)平均法

2．3 試驗(yàn)

2．3．1 材料

2．3．2 材性試件設(shè)計(jì)

2．3．3 加載及測(cè)試方案

2．3．4 試驗(yàn)結(jié)果

2．4 數(shù)值模擬

2．5 試驗(yàn)和模擬結(jié)果對(duì)比

2．6 小結(jié)

第3章 大塑性應(yīng)變循環(huán)加載下結(jié)構(gòu)鋼的本構(gòu)特性

3．1 概述

3．2 金屬循環(huán)塑性模型

3．2．1 金屬塑性模型數(shù)學(xué)原理相關(guān)綜述

3．2．2 Prager模型

3．2．3 Chaboche隨動(dòng)強(qiáng)化模型

3．2．4 Yoshida-Uemori模型

3．2．5 改進(jìn)的Yoshida-Uemori模型

3．3 試驗(yàn)

3．3．1 材料

3．3．2 試件設(shè)計(jì)

3．3．3 試件形狀

3．3．4 測(cè)試方案

3．3．5 沙漏形試件的加載歷史

3．4 數(shù)值模擬

3．5 試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值結(jié)果對(duì)比

3．6 含預(yù)應(yīng)變?cè)嚰臏靥匦?

3．7 小結(jié)

第4章 單調(diào)加載下結(jié)構(gòu)鋼的裂紋萌生

4．1 概述

4．1．1 研究背景

4．1．2 預(yù)測(cè)延性斷裂的方法

4．1．3 結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域延性斷裂相關(guān)研究

4．1．4 理論研究方法

4．2 單調(diào)加載下的延性斷裂模型

4．2．1 Rice-Tracey模型

4．2．2 Miner準(zhǔn)則

4．2．3 單調(diào)拉伸加載下的斷裂模型

4．2．4 模型參數(shù)的標(biāo)定

4．3 試驗(yàn)研究

4．4 數(shù)值分析

4．4．1 有限元建模

4．4．2 塑性模型及模型參數(shù)標(biāo)定

4．5 試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比

4．6 小結(jié)

第5章 單調(diào)加載下延性裂紋的擴(kuò)展

5．1 概述

5．2 延性斷裂模型

5．2．1 裂紋萌生準(zhǔn)則

5．2．2 延性裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則

5．2．3 獲得延性斷裂參數(shù)和真實(shí)應(yīng)力真實(shí)應(yīng)變數(shù)據(jù)的方法

5．3 試驗(yàn)

5．3．1 材性試驗(yàn)

5．3．2 試件設(shè)計(jì)

5．3．3 試件加載

5．3．4 試驗(yàn)結(jié)果

5．4 數(shù)值模擬

5．4．1 有限元建模

5．4．2 試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比

5．5 討論

5．6 小結(jié)

第6章 循環(huán)加載下結(jié)構(gòu)鋼的延性斷裂模型

6．1 概述

6．2 循環(huán)加載下的延性斷裂模型

6．2．1 負(fù)應(yīng)力三軸度下金屬的損傷

6．2．2 基于單調(diào)加載延性斷裂模型修正的循環(huán)延性斷裂模型

6．3 試驗(yàn)研究

6．4 數(shù)值分析

6．4．1 有限元建模

6．4．2 塑性模型

6．5 試驗(yàn)和數(shù)值分析結(jié)果的對(duì)比

6．6 小結(jié)

第7章 鋼短柱屈曲后斷裂的預(yù)測(cè)

7．1 概述

7．2 試驗(yàn)

7．2．1 試件

7．2．2 加載方案

7．2．3 加載歷史

7．2．4 方形鋼管柱的材性試件

7．3 試驗(yàn)結(jié)果

7．3．1 屈曲和斷裂模式

7．3．2 滯回特性

7．4 數(shù)值模擬

7．5 試驗(yàn)和模擬結(jié)果對(duì)比

7．5．1 大寬厚比試件的對(duì)比結(jié)果

7．5．2 中寬厚比試件的對(duì)比結(jié)果

7．5．3 小寬厚比試件的對(duì)比結(jié)果

7．6 小結(jié)

第8章 薄壁焊接鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)屈曲后斷裂

8．1 概述

8．2 循環(huán)大應(yīng)變荷載下的雙參數(shù)延性斷裂模型

8．3 薄壁梁柱焊接節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究

8．3．1 試件設(shè)計(jì)

8．3．2 加載裝置及加載制度

8．3．3 屈曲和斷裂模式

8．3．4 滯回性能

8．4 數(shù)值模擬

8．4．1 有限元建模

8．4．2 有限元與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

8．4．3 嵌入延性斷裂模型與否對(duì)數(shù)值分析結(jié)果的影響

8．5 參數(shù)分析

8．5．1 初始幾何缺陷的影響

8．5．2 軸壓比的影響

8．5．3 節(jié)點(diǎn)域等效寬厚比的影響

8．6 小結(jié)

第9章 鋁合金在全應(yīng)變域內(nèi)的循環(huán)塑性模型

9．1 概述

9．2 利用最少物理變量標(biāo)定塑性模型參數(shù)的方法

9．3 塑性模型標(biāo)定方法在材料層面的驗(yàn)證

9．3．1 鋁合金雙缺口試件試驗(yàn)研究

9．3．2 鋁合金雙缺口試件的數(shù)值模擬

9．3．3 鋁合金雙缺口試件塑性模型參數(shù)的標(biāo)定

9．4 塑性模型參數(shù)標(biāo)定方法在構(gòu)件層面的驗(yàn)證

9．4．1 鋁合金屈曲約束支撐的試驗(yàn)研究

9．4．2 鋁合金屈曲約束支撐的數(shù)值模擬

9．4．3 基于典型力學(xué)性能參數(shù)的塑性模型參數(shù)標(biāo)定

9．5 小結(jié)

第10章 鋁合金材料的超低周疲勞破壞

10．1 概述

10．2 6061-T6鋁合金的超低周疲勞試驗(yàn)

10．2．1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

10．2．2 破壞模式及斷面觀察

10．2．3 滯回曲線和骨架曲線

10．3 數(shù)值模擬

10．3．1 有限元建模

10．3．2 試驗(yàn)與數(shù)值分析結(jié)果的對(duì)比

10．4 超低周疲勞斷裂模型

10．5 小結(jié)

第11章 總結(jié)和研究展望

11．1 主要結(jié)論

11．1．1 循環(huán)大塑性應(yīng)變加載下的金屬塑性模型

11．1．2 循環(huán)大塑性應(yīng)變加載下的延性斷裂模型

11．2 研究展望

附錄A 改進(jìn)的Yoshida-Uemori模型自定義子程序開(kāi)發(fā)

A1 引言

A2 單步積分法的應(yīng)力積分

A2．1 應(yīng)力積分算法

A2．2 更新記憶面

A2．3 單步積分法的一致切線剛度矩陣

A3 自適應(yīng)子步積分法

A3．1 簡(jiǎn)介

A3．2 自適應(yīng)子步積分法的一致切線剛度矩陣

A3．3 自定義子程序的驗(yàn)證

A3．4 子步長(zhǎng)度對(duì)子程序魯棒性和計(jì)算效率的影響

A4 模型的參數(shù)標(biāo)定

A5 模型在超大塑性應(yīng)變問(wèn)題中的應(yīng)用

A6 結(jié)論2100433B

鋼管混凝土(CFT)結(jié)構(gòu)因能夠形成鋼和混凝土兩種材料的組合效應(yīng)得到了越來(lái)越多的工程應(yīng)用。但以往的研究顯示鋼管混凝土柱中的鋼管在地震荷載下會(huì)受到屈曲和拉直的壓縮和拉伸往復(fù)作用，最終導(dǎo)致低周疲勞破壞。項(xiàng)目申請(qǐng)者提出的新型鋼管混凝土：約束鋼管混凝土(CCFT)體系能夠有效的推遲或防止鋼管局部屈曲，從而進(jìn)一步改善了其力學(xué)性能，尤其是延性。本項(xiàng)目擬通過(guò)一系列試驗(yàn)于理論分析，研究約束鋼管混凝土柱低周疲勞特性，在申請(qǐng)人已有的有關(guān)鋼管混凝土低周疲勞損傷模型研究成果的基礎(chǔ)上進(jìn)一步建立考慮橫向約束的更加合理和精確的統(tǒng)一損傷模型。最終用于指導(dǎo)鋼管混凝土和約束鋼管混凝土的工程抗震設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用。