含細(xì)觀缺陷的焊接構(gòu)件損傷跨尺度演化分析方法及其應(yīng)用.pdf

1、焊接作為最常用的鋼結(jié)構(gòu)連接方式，具有諸多優(yōu)點(diǎn)，然而焊接構(gòu)件內(nèi)部的細(xì)觀缺陷卻始終無(wú)法避免;在結(jié)構(gòu)服役過(guò)程中，焊接構(gòu)件中缺陷附近由于應(yīng)力集中導(dǎo)致的局部損傷演化造成構(gòu)件乃至結(jié)構(gòu)性能的劣化，甚至造成結(jié)構(gòu)的破壞。焊接構(gòu)件中細(xì)觀缺陷導(dǎo)致的損傷演化過(guò)程跨越了細(xì)觀尺度和宏觀尺度。為了掌握細(xì)觀缺陷對(duì)構(gòu)件損傷跨尺度演化過(guò)程的影響，有必要深入探討焊接構(gòu)件中不同尺度下?lián)p傷變量之間的聯(lián)系，建立多尺度損傷表征方法，發(fā)展含細(xì)觀缺陷的焊接構(gòu)件損傷跨尺度演化分析方法。<

2、br>　　本文通過(guò)焊接構(gòu)件試樣拉伸過(guò)程的力學(xué)響應(yīng)與損傷跨尺度演化模擬實(shí)驗(yàn)研究，分析了構(gòu)件塑性變形過(guò)程中細(xì)觀損傷演化機(jī)制與特征，揭示了焊接區(qū)域細(xì)觀裂紋型缺陷和孔洞型缺陷隨構(gòu)件塑性變形的演化規(guī)律，以及焊接區(qū)域的細(xì)觀損傷演化與構(gòu)件宏觀力學(xué)性能劣化之間的關(guān)聯(lián)性?；趯?shí)驗(yàn)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)的焊接區(qū)域損傷演化過(guò)程中存在的缺陷幾何形態(tài)的分形特征，建立了分別適用于裂紋型和孔洞型缺陷的分形損傷變量和多尺度損傷表征方法，并結(jié)合工程中的鋼桁架結(jié)構(gòu)分析案例建立了損傷跨尺

3、度演化分析方法。本文完成的主要研究工作及成果如下:
　　1)對(duì)金屬構(gòu)件拉伸變形過(guò)程進(jìn)行了聲發(fā)射探測(cè)實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)不同變形階段聲發(fā)射信號(hào)特征的分析，研究了金屬構(gòu)件變形過(guò)程中的微孔洞形核、增長(zhǎng)和聚合的演化機(jī)理，以及彈性階段、塑性流動(dòng)階段、強(qiáng)化階段直至最后失效階段的細(xì)觀損傷演化特征。
　　2)以典型焊接構(gòu)件為試樣，采用X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描和電測(cè)方法同步記錄焊接區(qū)域細(xì)觀缺陷和構(gòu)件宏觀力學(xué)性能的演化過(guò)程，分析了構(gòu)件宏觀力學(xué)性能隨塑性變

4、形的變化規(guī)律;發(fā)現(xiàn)焊接區(qū)域的細(xì)觀缺陷幾何形態(tài)主要有細(xì)觀裂紋型和細(xì)觀孔洞型兩類(lèi)，具有隨機(jī)分布特征;研究了這兩類(lèi)形態(tài)的細(xì)觀缺陷隨塑性變形的變化規(guī)律，揭示了焊接構(gòu)件中的細(xì)觀缺陷和構(gòu)件宏觀力學(xué)性能之間的關(guān)聯(lián)性。
　　3)依據(jù)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)的焊接構(gòu)件中細(xì)觀缺陷的形狀及特征，研究了含細(xì)觀缺陷的代表性體元中的缺陷幾何形態(tài)對(duì)損傷演化過(guò)程的影響。應(yīng)用GTN損傷模型對(duì)含有不同幾何形態(tài)焊接缺陷的代表體元進(jìn)行了有限元分析，揭示了缺陷形狀及體積對(duì)焊接構(gòu)件損傷

5、演化過(guò)程的影響。
　　4)研究了細(xì)觀裂紋型缺陷為主導(dǎo)的損傷表征方法。通過(guò)對(duì)焊接區(qū)域細(xì)觀裂紋擴(kuò)展過(guò)程的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果的進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)細(xì)觀裂紋擴(kuò)展形態(tài)具有顯著的分形特征;進(jìn)而研究了裂紋總長(zhǎng)度和裂紋擴(kuò)展的分形維數(shù)隨構(gòu)件塑性變形的演化特性，提出了用于描述細(xì)觀裂紋擴(kuò)展的分形損傷變量及其多尺度損傷表征方法，并通過(guò)與現(xiàn)有的損傷變量的比較對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)多個(gè)樣本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，得到了裂紋總長(zhǎng)度和分形維數(shù)隨塑性變形增加的比例系數(shù)，揭示了細(xì)觀裂紋

6、幾何形態(tài)對(duì)多尺度損傷演化過(guò)程的影響規(guī)律，以及多尺度損傷變量隨塑性變形的變化趨勢(shì)。
　　5)研究了細(xì)觀孔洞型缺陷為主導(dǎo)的損傷表征方法。通過(guò)對(duì)焊接區(qū)域細(xì)觀孔洞演化過(guò)程的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果的進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)細(xì)觀孔洞體積與數(shù)量的演變同樣具有顯著的分形特征;研究了構(gòu)件損傷與細(xì)觀孔洞體積、數(shù)量以及分形維數(shù)之間的關(guān)系，建立了適用于細(xì)觀孔洞演化的分形損傷變量及其多尺度損傷表征方法，并通過(guò)與現(xiàn)有的損傷變量的比較對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)多個(gè)樣本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，

7、確定了分形損傷變量和多尺度損傷表征表達(dá)式的參數(shù)，揭示了分形損傷變量以及多尺度損傷表征與塑性變形之間的函數(shù)關(guān)系。
　　6)結(jié)合工程中的鋼桁架結(jié)構(gòu)分析案例建立了含細(xì)觀缺陷的焊接結(jié)構(gòu)損傷跨尺度演化分析方法。將上述建立的多尺度損傷表征方法應(yīng)用于典型焊接結(jié)構(gòu)，根據(jù)焊接區(qū)域細(xì)觀缺陷的幾何形態(tài)以及構(gòu)件的變形程度，對(duì)構(gòu)件損傷程度及其損傷演化過(guò)程進(jìn)行量化分析。研究結(jié)果表明，本文所建立的損傷量化與分析方法不但能很好的描述構(gòu)件在細(xì)觀和宏觀兩個(gè)尺度上的損