高強(qiáng)鋼管節(jié)點(diǎn)疲勞累積損傷過(guò)程分析及疲勞性能研究

目前，高強(qiáng)度鋼材越來(lái)越多地運(yùn)用在鋼管結(jié)構(gòu)中，而管節(jié)點(diǎn)作為鋼管結(jié)構(gòu)的重要傳力部位，其受力性能備受關(guān)注。由于高強(qiáng)鋼強(qiáng)度高，化學(xué)成分與普通強(qiáng)度鋼材差別較大，使得高強(qiáng)鋼管節(jié)點(diǎn)的受力性能成為亟待研究的問(wèn)題，尤其是高強(qiáng)鋼管節(jié)點(diǎn)疲勞性能的研究，成果非常匱乏，是一個(gè)比較新的領(lǐng)域。本項(xiàng)目采用Q460C高強(qiáng)鋼，以T型管節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，主要研究了高強(qiáng)鋼管節(jié)點(diǎn)的疲勞性能以及基于連續(xù)損傷力學(xué)理論的管節(jié)點(diǎn)疲勞累積損傷過(guò)程的有限元分析方法。主要內(nèi)容為通過(guò)對(duì)T型管節(jié)點(diǎn)的疲勞性能進(jìn)行試驗(yàn)研究與理論分析，明確其疲勞破壞機(jī)理，了解其疲勞裂紋發(fā)展特征。并基于損傷力學(xué)理論和鋼材疲勞損傷試驗(yàn)，建立了符合管節(jié)點(diǎn)疲勞損傷過(guò)程的損傷演化模型。在此基礎(chǔ)上，對(duì)有限元軟件ABAQUS進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，完成了損傷力學(xué)-有限元方法對(duì)高強(qiáng)鋼管節(jié)點(diǎn)疲勞累積損傷過(guò)程的全耦合模擬分析，為探索高強(qiáng)鋼管節(jié)點(diǎn)的疲勞設(shè)計(jì)方法提供了試驗(yàn)儲(chǔ)備和分析手段。通過(guò)試驗(yàn)研究和分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著主管厚度的增加，應(yīng)力幅較小時(shí)試驗(yàn)疲勞壽命與規(guī)范計(jì)算壽命差異變得顯著，并依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果初步提出了適用于6mm到10mm壁厚的Q460C高強(qiáng)鋼T型管節(jié)點(diǎn)的疲勞設(shè)計(jì)S-N曲線(xiàn)。 2100433B

管節(jié)點(diǎn)作為鋼管結(jié)構(gòu)的重要傳力部位，其受力性能備受關(guān)注。目前，隨著結(jié)構(gòu)在空間尺度、載荷等方面需求的不斷增加，高強(qiáng)度鋼材也越來(lái)越多地運(yùn)用在鋼管結(jié)構(gòu)中。由于高強(qiáng)鋼強(qiáng)度高，化學(xué)成分與普通強(qiáng)度鋼材差別較大，使得高強(qiáng)鋼管節(jié)點(diǎn)的受力性能成為亟待研究的問(wèn)題，尤其是高強(qiáng)鋼管節(jié)點(diǎn)疲勞性能的研究，成果非常匱乏，是一個(gè)比較新的領(lǐng)域。本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)高強(qiáng)鋼管節(jié)點(diǎn)的疲勞性能進(jìn)行試驗(yàn)研究與理論分析，明確其疲勞破壞機(jī)理和裂紋的萌生及擴(kuò)展特征，分析熱點(diǎn)應(yīng)力集中狀態(tài)。并基于連續(xù)損傷力學(xué)理論和鋼材疲勞損傷試驗(yàn)，建立符合高強(qiáng)鋼管節(jié)點(diǎn)疲勞損傷過(guò)程的損傷演化模型和裂紋擴(kuò)展率公式，提出完整的高強(qiáng)鋼管節(jié)點(diǎn)疲勞損傷全過(guò)程的有限元分析方法。依據(jù)試驗(yàn)和數(shù)值分析結(jié)果，研究和評(píng)價(jià)不同參數(shù)條件對(duì)疲勞性能和疲勞壽命的影響規(guī)律。為高強(qiáng)鋼管節(jié)點(diǎn)疲勞壽命預(yù)測(cè)評(píng)估提供合理可行的參考方法，為管節(jié)點(diǎn)疲勞設(shè)計(jì)方法的完善以及相關(guān)規(guī)范的修訂提供可靠的試驗(yàn)依據(jù)和理論儲(chǔ)備。

所謂結(jié)構(gòu)疲勞損傷，是指由于重復(fù)荷載作用而引起的結(jié)構(gòu)材料性能衰減的過(guò)程，也就是通常所說(shuō)的疲勞裂紋的發(fā)生、發(fā)展、形成宏觀裂紋、發(fā)生破壞的全過(guò)程。疲勞損傷與普通損傷的最大區(qū)別在于隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加，疲勞中的損傷存在一個(gè)累積的過(guò)程。

疲勞損傷(Fatigue Damage，F(xiàn)D)是由于循環(huán)載荷引起的裂紋起始及其持續(xù)擴(kuò)展，這種損傷是一個(gè)累積的過(guò)程。

以飛機(jī)為例，與飛機(jī)的使用情況(飛行小時(shí)或起落次數(shù))有關(guān)。必須制訂一個(gè)檢查要求，以保證在由于某種疲勞損傷造成任何飛機(jī)的剩余強(qiáng)度低于允許水平之前，提供探測(cè)疲勞損傷的最大可能性。

疲勞損傷評(píng)定應(yīng)考慮：

(1)適用的剩余強(qiáng)度，包括多部位疲勞損傷的影響。

(2)適用的裂紋擴(kuò)展率，包括多部位或多元件疲勞損傷的影響。

(3)與疲勞損傷擴(kuò)展間隔相關(guān)的損傷檢測(cè)期。疲勞損傷擴(kuò)展間隔是從首次檢測(cè)時(shí)間(門(mén)檻值)到所規(guī)定極限尺寸(臨界的)之間的間隔。損傷檢測(cè)期隨著所應(yīng)用的檢查方法及檢測(cè)概率而變化，并受結(jié)構(gòu)部件或工藝的影響(如密封膠遮蓋住損傷部位)。

(4)檢查方法的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

(5)適用的檢查等級(jí)和方法(如目視、無(wú)損檢測(cè))，方位(如外部、內(nèi)部檢查)及重復(fù)檢查問(wèn)隔。

損傷容限分析包括剩余強(qiáng)度分析和損傷增長(zhǎng)分析。剩余強(qiáng)度分析方法，迄今只有含各種缺陷試樣的拉伸剩余強(qiáng)度和含穿透缺陷的厚試樣(破壞前不失穩(wěn))的壓縮剩余強(qiáng)度工程估算方法。含其他缺陷(例如以分層為主要特征的沖擊損傷)試樣的壓縮剩余強(qiáng)度估算，可用基于層間應(yīng)變能釋放率的“分層斷裂力學(xué)”來(lái)解決，但這種方法仍處在研究階段。而對(duì)損傷增長(zhǎng)速率的分析，至今仍沒(méi)有可靠的方法。因此，對(duì)這些問(wèn)題，主要是借助多層次的試驗(yàn)加以解決。

分析中通常采用的簡(jiǎn)化原則包括以下兩點(diǎn)。

①所有分層簡(jiǎn)化為直徑與實(shí)際缺陷最大長(zhǎng)度尺寸相當(dāng)?shù)膱A形分層；

②至少有一層纖維斷裂的各種缺陷/損傷，簡(jiǎn)化為直徑與實(shí)際缺陷/損傷面內(nèi)最大長(zhǎng)度尺寸相當(dāng)?shù)膱A孔。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)為了擺脫沖擊所帶來(lái)的威脅，以沖擊壓縮破壞曲線(xiàn)的門(mén)檻值為基礎(chǔ)確定其設(shè)計(jì)許用應(yīng)變。其結(jié)果是不得不把復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的工作應(yīng)變限制在很低的水平上，使復(fù)合材料的潛力無(wú)法得到發(fā)揮。實(shí)際上，雖然復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在制造和使用過(guò)程中遇到外來(lái)物沖擊是不可避免的，但終究這種沖擊是局部的。不應(yīng)該為保證這一局部的強(qiáng)度而限制所有未受沖擊的結(jié)構(gòu)部位的工作應(yīng)變，因?yàn)檫@顯然是不合理的，也是過(guò)于保守的。當(dāng)然，問(wèn)題

出在遭受沖擊的部位的隨機(jī)性和不確定性上。為了提高設(shè)計(jì)許用應(yīng)變，一個(gè)很有希望的途徑是，在確定設(shè)計(jì)許用應(yīng)變值時(shí)暫不考慮沖擊這個(gè)因素，而把沖擊損傷直接引人到結(jié)構(gòu)中去設(shè)計(jì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。然后，考慮到遭受沖擊的部位的隨機(jī)性，把沖擊損傷引入到結(jié)構(gòu)中的最危險(xiǎn)部位，這對(duì)設(shè)計(jì)是偏安全的。這樣就把沖擊影響限制在局部范圍內(nèi)，使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可以在整體上大大提高其工作應(yīng)變，這必將大幅度減輕結(jié)構(gòu)重量。

鑒于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的分析方法還不夠成熟，分析的精度還不能令人滿(mǎn)意，因此，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的完整性驗(yàn)證顯得尤為重要。