低合金鋼超高周疲勞若干基本問題的實驗研究項目摘要

本項目圍繞材料超高周疲勞損傷破斷涉及的3個關鍵科學問題：疲勞裂紋從表面起源和從內部起源的競爭機制，超高周疲勞裂紋源微區(qū)的變形和損傷特征，加載頻率變化對超高周疲勞行為的影響規(guī)律；以低合金鋼為例，以實驗研究為手段，探索超高周疲勞的裂紋萌生過程與特征、超高周疲勞的裂紋擴展行為與斷裂特征、不同強度級別材料高周至超高周疲勞行為比較、常規(guī)頻率和超聲頻率對超高周疲勞行為的影響。預期：揭示超高周疲勞的裂紋萌生、擴展和破斷的基本特征；闡明超高周疲勞裂紋從材料內部起源的微結構因素和力學機制；闡明微結構不同及其呈現(xiàn)的強度級別不同對超高周疲勞行為的影響趨勢；認識加載頻率變化對超高周疲勞特性的影響規(guī)律。

近二十年來，地球進入強震周期，金屬材料在超低周疲勞加載下的延性斷裂問題成為金屬結構領域的前沿熱點問題之一?！稄娬鹣陆饘俳Y構的超低周疲勞破壞》主要闡述金屬結構在地震等超大塑性循環(huán)加載下的延性破壞機理、理論分析模型、數(shù)值仿真模擬方法以及相關理論在金屬材料、構件、節(jié)點和結構層面的應用，是作者近10年來相關研究成果的薈萃。

《強震下金屬結構的超低周疲勞破壞》面向的讀者包括對金屬結構感興趣的本科生、研究生、研究鋼和鋁合金結構的研究人員，以及涉及循環(huán)大塑性加載相關應用的結構工程師。

序

前言

第1章 概論

1．1 研究背景

1．1．1 超低周疲勞的內涵

1．1．2 鋼構件和節(jié)點的屈曲后超低周疲勞破壞

1．1．3 鋼框架焊接梁柱節(jié)點的超低周疲勞破壞

1．2 延性斷裂

1．2．1 簡介

1．2．2 結構工程中延性斷裂相關研究

1．3 研究目標

1．4 本書框架內容

第2章 單調加載下大應變域的結構鋼應力-應變特性

2．1 概述

2．2 頸縮后真實應力-真實應變

2．2．1 真實應力-真實應變的定義

2．2．2 頸縮發(fā)生的條件

2．2．3 簡單修正法

2．2．4 加權平均法

2．2．5 修正加權平均法

2．3 試驗

2．3．1 材料

2．3．2 材性試件設計

2．3．3 加載及測試方案

2．3．4 試驗結果

2．4 數(shù)值模擬

2．5 試驗和模擬結果對比

2．6 小結

第3章 大塑性應變循環(huán)加載下結構鋼的本構特性

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)學原理相關綜述

3．2．2 Prager模型

3．2．3 Chaboche隨動強化模型

3．2．4 Yoshida-Uemori模型

3．2．5 改進的Yoshida-Uemori模型

3．3 試驗

3．3．1 材料

3．3．2 試件設計

3．3．3 試件形狀

3．3．4 測試方案

3．3．5 沙漏形試件的加載歷史

3．4 數(shù)值模擬

3．5 試驗結果和數(shù)值結果對比

3．6 含預應變試件的滯回特性

3．7 小結

第4章 單調加載下結構鋼的裂紋萌生

4．1 概述

4．1．1 研究背景

4．1．2 預測延性斷裂的方法

4．1．3 結構工程領域延性斷裂相關研究

4．1．4 理論研究方法

4．2 單調加載下的延性斷裂模型

4．2．1 Rice-Tracey模型

4．2．2 Miner準則

4．2．3 單調拉伸加載下的斷裂模型

4．2．4 模型參數(shù)的標定

4．3 試驗研究

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)標定

4．5 試驗和數(shù)值模擬結果的對比

4．6 小結

第5章 單調加載下延性裂紋的擴展

5．1 概述

5．2 延性斷裂模型

5．2．1 裂紋萌生準則

5．2．2 延性裂紋擴展準則

5．2．3 獲得延性斷裂參數(shù)和真實應力真實應變數(shù)據(jù)的方法

5．3 試驗

5．3．1 材性試驗

5．3．2 試件設計

5．3．3 試件加載

5．3．4 試驗結果

5．4 數(shù)值模擬

5．4．1 有限元建模

5．4．2 試驗和數(shù)值模擬結果的對比

5．5 討論

5．6 小結

第6章 循環(huán)加載下結構鋼的延性斷裂模型

6．1 概述

6．2 循環(huán)加載下的延性斷裂模型

6．2．1 負應力三軸度下金屬的損傷

6．2．2 基于單調加載延性斷裂模型修正的循環(huán)延性斷裂模型

6．3 試驗研究

6．4 數(shù)值分析

6．4．1 有限元建模

6．4．2 塑性模型

6．5 試驗和數(shù)值分析結果的對比

6．6 小結

第7章 鋼短柱屈曲后斷裂的預測

7．1 概述

7．2 試驗

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 試驗結果

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 試驗和模擬結果對比

7．5．1 大寬厚比試件的對比結果

7．5．2 中寬厚比試件的對比結果

7．5．3 小寬厚比試件的對比結果

7．6 小結

第8章 薄壁焊接鋼框架梁柱節(jié)點屈曲后斷裂

8．1 概述

8．2 循環(huán)大應變荷載下的雙參數(shù)延性斷裂模型

8．3 薄壁梁柱焊接節(jié)點試驗研究

8．3．1 試件設計

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 有限元與試驗結果對比

8．4．3 嵌入延性斷裂模型與否對數(shù)值分析結果的影響

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)點域等效寬厚比的影響

8．6 小結

第9章 鋁合金在全應變域內的循環(huán)塑性模型

9．1 概述

9．2 利用最少物理變量標定塑性模型參數(shù)的方法

9．3 塑性模型標定方法在材料層面的驗證

9．3．1 鋁合金雙缺口試件試驗研究

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)的標定

9．4 塑性模型參數(shù)標定方法在構件層面的驗證

9．4．1 鋁合金屈曲約束支撐的試驗研究

9．4．2 鋁合金屈曲約束支撐的數(shù)值模擬

9．4．3 基于典型力學性能參數(shù)的塑性模型參數(shù)標定

9．5 小結

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

10．2．1 試驗設計

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 試驗與數(shù)值分析結果的對比

10．4 超低周疲勞斷裂模型

10．5 小結

第11章 總結和研究展望

11．1 主要結論

11．1．1 循環(huán)大塑性應變加載下的金屬塑性模型

11．1．2 循環(huán)大塑性應變加載下的延性斷裂模型

11．2 研究展望

附錄A 改進的Yoshida-Uemori模型自定義子程序開發(fā)

A1 引言

A2 單步積分法的應力積分

A2．1 應力積分算法

A2．2 更新記憶面

A2．3 單步積分法的一致切線剛度矩陣

A3 自適應子步積分法

A3．1 簡介

A3．2 自適應子步積分法的一致切線剛度矩陣

A3．3 自定義子程序的驗證

A3．4 子步長度對子程序魯棒性和計算效率的影響

A4 模型的參數(shù)標定

A5 模型在超大塑性應變問題中的應用

A6 結論2100433B

鋼管混凝土(CFT)結構因能夠形成鋼和混凝土兩種材料的組合效應得到了越來越多的工程應用。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受到屈曲和拉直的壓縮和拉伸往復作用，最終導致低周疲勞破壞。項目申請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，從而進一步改善了其力學性能，尤其是延性。本項目擬通過一系列試驗于理論分析，研究約束鋼管混凝土柱低周疲勞特性，在申請人已有的有關鋼管混凝土低周疲勞損傷模型研究成果的基礎上進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。最終用于指導鋼管混凝土和約束鋼管混凝土的工程抗震設計和工程應用。