钢结构焊接节点焊材的损伤累积模型及分析(可编辑)

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1、钢结构焊接节点焊材的损伤累积模型及分析内容提要 焊接节点由于具有连接效率高、刚度大、密封性好、构件加工时间短、费用 低等优点被广泛应用于各种钢结构,尽管规范对焊工技能、焊接工艺等都有 规定,但由于焊接过程本身的复杂性,微孔洞、微裂缝等的存在几乎是不可避免的。 焊接节点因此更易损伤累积,其损伤历史无疑会对结构在后续服役期中的抗力 和剩余寿命产生重大的影响。以往的实践表明大量的钢结构破坏都是从焊接节点 开始的。然而,由于问题的复杂性和人类认识的局限性,迄今为止,人们对结构性能和反应的分析基本不考虑已有损伤累积的影响,这样的分析势必影响分析结 果的精度。尤其是目前对钢结构的安全性有着重要影响的焊接节

2、点的损伤累积研 究还并不多见,因此,研究焊接节点的损伤累积具有重要的理论和现实意义。本文对钢结构中广泛应用的和钢材焊接.型节点中的焊缝材料进行了全焊材拉伸试验及低周疲劳试验,根据试验现象及结果,并基于的模型,提出了焊材的损伤累积模型,通过对试验数据进行拟和确定了模型的材料常 数。同时,通过设计各种对比试验,较深入地研究了包括材料型号、应变幅度、加 载机制、试件尺寸、焊接顺序、钢材轧制方向等因素对材料滞回性能的影响。研究 结果发现,狸周应变幅值钢材的循环寿命比焊材高%以上,可见焊材中因有不 可避免的焊接微缺陷的存在而大为降低了其循环寿命,因此在结构分析中应更关 注焊接节点的表现。同种材料损伤累积

3、演变基本相同,而不同材料型号损伤模型 中的材料参数应分别确定;变幅循环下先进行的低应变幅循环反而提高了后继高应变幅时的寿命,此时的线性叠加理论不再适合,而先进行的高应变幅则 明显降低了后继低应变幅循环的周数;钢材轧制方向对循环特性有一定影响,沿沿纵向的试件疲劳寿命高于垂直方向的,纵向试件的应变硬化速度及裂纹稳定时间略高于横向的。焊接过程对近缝区钢材的性能有明显影响,焊接顺序对焊材的滞回性能也有一定的影响。本试验中焊材均为循环软化,钢材均为循环硬 化结构,钢材和焊材循环硬化或软化的强屈比分界线大致为.,强屈比大子.的材料表现为循环硬化,而小于.的材料表现为循环软化。本课题根据建立的焊材的损伤累积

4、模型,以大型有限元程序为平台进 行二次开发,编制有限元子程序,对循环蘅载下焊材试件进行循环载荷下的 损伤累积分析。此方法从材料层面着手,不受节点和构件或结构本身尺寸及受 力情况的限制,可结合钢材的损伤累积模型对焊接节点进行损伤累积分析,求得 各类节点和构件在循环葡载下的滞回关系曲线,并可进一步推广到其他钢结构构 件或结构。关键词:钢结构、焊接节点、焊材、低周疲劳,损伤累积模型,有限元二次开 发曲 , ,站 ,忸.押.,“，./.,既 . ., , , . %.招曲.? ?. /, / ， ， ， ， ，第一章绪论绪论.研究背景钢结构损伤累积分析的意义上世纪九十年代出台的合理推广应用钢材的技术政

5、策推动了我国建筑钢结构的快速发展,钢结构被广泛的应用于多、高层民用房屋、大跨公共建筑、工业厂房及塔桅结构中,直至目前,我国钢结构还处于迅速发展期。这些结构在其施工、使用期间遭受 了各种外力作用而有损伤累积产生,其损伤历史无疑会对结构在 后续服役期中的抗力和剩余寿命产生重大的影响。建筑物的破坏 通常是由于结构损伤并逐渐累积到一定程度后引起的。其中,地 震作用对结构的损伤影响显著,年日本阪神地震中多数结构 正是由于在前震中产生的损伤而在余震中倒塌的。中国是世界上 多地震的国家之一,也是世界上地震灾害最严重的国家【,因此, 安全经济的钢结构设计要求可靠的抗震设计,并充分考虑其施工、 使用期间可能遭受

6、的各种外力作用,这些都需要在结构分析中考 虑损伤累积的影响。中国目前已有相当数量的钢结构使用超过十 年,为保障人民生命财产的安全,以及最大限度安全经济地利用 现有结构物以建立节约型社会,对结构的剩余强度或剩余寿命进 行正确鉴定和维护是不可避免的问题,这也需要进行结构的损伤 累积分析。然而,由于问题的复杂性和人类认识的局限性,迄今 为止,人们对结构性能和反应的分析基本不考虑已有损伤累积的 影响,这样的分析势必影响分析结果的精度。 钢结构中焊接节点的特殊性及重要性 焊接节点由于具有连接效率高、刚度大、密封性好、 构件加 工时间短、费用低等优点被广泛应用于各种钢结构。结构的 强度通常是由其最薄弱环节

7、决定的,焊接节点不幸正是钢结构的薄弱点。因此,准确分析焊接节点的行为在钢结构分析中具有举 足轻重的地位。以往的实践表明大量的钢结构破坏都是从焊接节 点开始的。年美国地震引起了工程界的普遍关注, 主要是那些被认为抗震性能卓越的现代钢框架结构出现了大量的 脆性断裂,而其中很大部分断裂发生在梁.柱焊接连接处。这与第一章绪论 焊接区自有的微观结构的复杂性、焊接缺陷以及焊接残余应力和 残余变形的存在是分不开的。众所周知,在焊接过程中,焊材及 近缝区的母材经历了复杂的高温加热熔化及冷却过程,其最终形 成的微观结构自焊材经热影响区到母材都有差异,从而导致了材 料特性,也包括损伤累积特性较钢材复杂许多,直接导

8、致其力学 行为的复杂性,且受多种因素诸如焊接过程达到的最高温度、冷 却速度、母材及焊条化学成分等的影响。由于焊接过程中温度的 不均匀分布而产生的高达焊材屈服强度的焊接残余应力和残余变 形是焊接过程另一种不可避免的结果。尽管规范对焊工技能、焊 接工艺等都有规定,但由于焊接过程本身的复杂性,微孔洞、微 裂缝等的存在几乎是不可避免的。焊接节点因此更易损伤累积, 尤其在像地震作用这样的低周疲劳循环荷载下,且其损伤累积行 为较钢材更为复杂,对焊接节点的损伤累积分析应充分考虑以上 这些焊接节点固有因素的影响。损伤力学在土木工程的应用推广 损伤累积分析是土木工程领域的一个新的研究方向,由于研 究成果的局限,

9、目前在实际工程中的应用还很少见。循环荷载下材料或结构的失效过程可分为裂纹形成与裂纹扩展两个阶段,目 前循环荷载下的结构分析主要是基于断裂力学对第二阶段已有宏 观裂纹扩展进行分析。但裂纹形成是疲劳全寿命的一个重要部分, 对它的忽略必然影响对材料或结构疲劳行为的准确判断。近年来 正蓬勃兴起的损伤力学的概念与方法,正好为循环荷载下裂纹形 成的研究提供了有力的理论工具。然而,尽管损伤力学的基本理 论框架已形成,但关于损伤力学算法的研究还相对薄弱,同时, 由于方法较新,积累的实验数据及应用实例不很充分,而且现有 的多数模型的参数测定太过复杂而限制了其推广应用。本研究也 希望通过对微观及化学成分有差异的钢

10、材及焊材的损伤演变的试 验研究,为损伤力学在土木工程研究和应用领域的进一步完善及 推广提供更多数据。综上所述,损伤累积分析对可靠的结构抗震设计和现有结构 的正确鉴定维护都很重要,而焊接节点是钢结构中最易损伤累积 的部位,因此,研究焊接节点的损伤累积具有重要的理论和现实 意义。第一章绪论.国内外研究进展 损伤的研究始于上个世纪五十年代,至八十年代时已发展成 为包括基于热力学的连续介质损伤理论、基于细观力学的几何损 伤理论和基于统计的概率损伤理论的系统的损伤力学【引,目前仍 有众多的研究者致力于损伤力学的进一步完善及其在各个工程领 域的应用。因为结构的最终破坏通常是由于结构损伤并逐渐累积到一定程度

11、而引起的,目前国内外有不少学者沈祖炎、李杰、 欧进萍、顾强、,等致力于研究损伤力学 在土木结构分析中的应用【,特别是疲劳和地震损伤方面。然 而由于问题的复杂性,迄今为止还没有建立被普遍认可的模型, 在工程上的应用也还不成熟。损伤变量是损伤力学中最基本的概念,它是用于反映材料内 部缺陷状态的一个物理量【】。在钢结构方面,沈祖炎等【.【动在试 验的基础上提出了钢材在反复荷载作用下基于塑性应变并考虑滞 回能耗散的一维损伤变量公式及应力应变滞回模型并进而推广到 三维。这一模型通过与试验结果对比,证明有较高的准确度,且 被别的研究者副所肯定和采用。国内外目前在钢材损伤本构关系 的研究方面所作的工作较多,

12、在连续介质力学和不可逆热力学的 框架内提出了各种各向同性或各向异性弹塑性损伤本构理论模 型。在建筑钢结构的整体分析方面,目前已有对钢构件【】【】、 多、高层钢框架结构【】【、和空间网架结构叫等在地震作用下考 虑损伤累积的研究。然而对钢结构中广泛应用,且对钢结构的安全性有着重要影 响的焊接节点的损伤累积研究还并不多见。国际上对低周疲劳作 用下焊接节点研究的一种较为普遍的做法是采用曲 线法,但以修正的等效应力代替高周疲劳的名义应力【】。【】。 【纠提出了一种基于剩余强度一循环周数曲线的方法。但这些 曲线通常只是适用于所试验的节点形式。目前已有的焊接节点的损伤累积研究通常首先定义损伤变量,如等基于截

13、面收缩率,等基于硬度值,再以热力学理论为基础选定势能耗散函数进而推导出损伤变量与循环次数的关系,并由试验测定该 关系式中的参数,最终得到材料或节点的损伤变量一循环次数第一章绪论 曲线。”】等采用?法基于循环次数和应 变范围定义损伤变量,最终亦得到焊接节点的曲线。这些模 型的缺点是所得到的曲线只适应于所职究的特定几何和受力 条件的节点或结构,且所采用的测定试验往往偏于复杂;另外, 模型给出的只是最终的疲劳寿命预测,而不涉及疲劳损伤累积的 过程。宋振森等【”从对接焊缝抽取焊材试件进行重复拉伸试验, 根据每次卸载测得的弹性模量得到损伤与累积塑性应变成线形关 系,但这实际只是焊材的静态延性损伤,不能反

14、映焊材在循环荷 载下的行为。合理的损伤累积模型是损伤累积分析的基础,一个“好的” 损伤累积模型,应该具备两方面的基本特征:其一是理论上的合理 性.不仅能够反映材料受力行为的主要特征,而且在逻辑上是自 洽的;其二是应用上的简明性.可以方便地应用于工程结构的分 析之中,并且,模型的主要参数能通过成熟的力学试验方法获取 。而已有的焊材的损伤累积模型或过于简单、计算结果与实际 不符,或过于繁琐、不确定乃至难以确定的因素过多,或只针对 某一特定节点及受力条件给出其损伤一寿命曲线而难以在工程实 际中应用。因此,建立理论基础严谨、形式简单、且其参数可用 简单成熟的试验方法测定的损伤累积模型具有重要意义。以上

15、综述表明,损伤力学正处在蓬勃发展期,研究者在木章绪论结构损伤累积分析方面己做出了众多贡献,但对钢结构中广泛应 用的焊接节点的损伤累积研究还远远不够,最基本的,能全面反 应焊材固有特性、且便于工程应用的损伤累积模型还没有,而模 型在焊接节点损伤累积分析的计算实现也亟需深入研究。 同时,本课题建立的方法虽以焊接节点为研究对象,但亦可 被推广至整体结构分析。所以在已有的大型有限元软件框架内建 立考虑损伤累积效应的有限元模型及损伤破坏准则则易于推广和 使用而具有广阔的应用前景。 本文对钢结构中广泛应用的和钢材焊接.型节点 中的焊缝材料进行了全焊材低周疲劳试验,根据试验现象及结果, 并基于的模型,提出了

16、焊材的损伤累积模型,通过对试验数 据进行拟和确定了模型的材料常数。同时,通过设计各种对比试 验,较深入地研究了包括材料型号、应变幅度、加载机制、试件 尺寸、焊接顺序、钢材轧制方向等因素对材料滞回性能的影响。第 鉴于试验研究所受的时间及经费的限制,建立正确的数值分析模 型是研究者们处理大量工程应用中几何及受力复杂结构的更有效 途径。而有限元法则是目前在研究及工程应用中最为广泛应用的 数值方法之一。然而,在已有的对钢结构的损伤累积有限元分析 中,研究者采用的大都是自编的极具针对性的有限元程序,因此 对所能处理的结构形式及受力条件有很大的局限性并很难推广而被工程界采用。而已有的大型有限元软件及等因其

17、多年的商业化推广已被大量的研究者及工程技术人员所熟悉掌握,并因在其高投入的开发过程中集合大量的结构及计算机方面 的专家历经多年的研究而具有完善有效的有限元方程的求解算法 并能处理复杂多样的结构。其有效性及正确性已被大量的工程应 用所验证。这是由少数研究者编写的程序所无法比拟的。因此, 本课题根据焊材的损伤累积模型,以大型有限元程序为平 台进行二次开发,编制了有限元子程序,对循环荷载下焊材试件 进行循环载荷下的损伤累积分析,预测其应力应变发展。应用此 方法可结合钢材的损伤累积模型对焊接节点进行损伤累积分析, 并可进步推广到其他钢结构构件或结构。第二章焊材在循环荷载作用下的 损伤累计模型焊材在循环

18、荷载作用下的损伤累积模型损伤变量损伤变量是损伤力学中最基本的概念,它是用于反映材料内 部缺陷状态的一个物理量。和认为根据变形得 出的损伤指标最简单、合理。沈祖炎等对结构钢基于塑性应变, 并考虑了滞回能耗散及产生最大塑性应变这一半周期的重要性, 定义如下损伤变量:胡等妻II箬:五式式中IV是产生塑性应变的半周期数，参是第半周期的权值,口为第半周期的塑性应变,:为材料的极限塑性应变,由材料的单向拉伸试验获得,雒为循环过程中的最大塑性应变。损伤本构模型 基于材料低周疲劳循环荷载试验所得的应力应变滞回曲线, 根据常用的钢材双线形模型,沈祖炎等提出的钢材的考虑损伤累 积的滞回模型如图.所示,图中簖和曼。

19、分别为第/次、次 半循环所产生的塑性应变,域呻和互黟州分别是材料经过第九 次、计次半循环时考虑损伤累积效应的弹性模量;盯即和盯扣“ 分别是材料经过第/./次、时次半循环时考虑损伤累积效应的屈服 应力, 舻功和舻州分别是材料经过第次、肿次半循环时的 应变强化系数,丫和为材料常数。材料弹性模量、屈服强度和强化系数因损伤累积产生的随荷 载循环次数的退化由以下各式计算:一专砰卜 第二章焊材在循环荷载作用下的损伤累计模型”善善/,嚣%0.蚓式中职为第次半循环时的损伤变量值,鼍。鼍:,号,为材料常数。 如图.所示,把弹性阶段和强化阶段按抛物线连接起来,抛物线的方程为;对图.中的第次半循环,点。为抛物线起点

20、,设其坐标为,点为抛物线终点,设其坐标为, ,则式中的系数为:。乞一?西乏厂垦里鱼:二垒二垒鱼二垒乞厂/、，,一，。 坚铲对第一半循环不考虑过渡阶段,从第二半循环开始损伤累积 模型可表示为:盯吼。一九。,。一吒妒彩”口酷,矿”乃。一吒,酽州一屯,%/。川对低周疲劳试验所待的滞回曲线按图.所示的滞回模型进 行拟和,代入单调拉伸试验所得的:值,令破坏时的损伤值为,第二章焊材在 循环荷载作用下的损伤累计模型一每声赢工苦专”利用式可求得每个试件每半循环时的损伤值根据试验数 据线性回归,可得试件第半周期时的利用式.可求 得试件第半周期时的芎,号,取其平均值作为该试件的 罨.号:,岛。最后,把每个试件的弹

21、性阶段和强化阶段与试验曲线进 行拟和可得每个试件的和值。对焊材进行的低周疲劳试验所得的滞回曲线显示,所有试件 在初始几周都有循环硬化出现,随后屈服强度和杨氏模量才开始 退化,因此,本文提出对焊材的损伤变量应对公式进行修正, 记入损伤起始周数糯,即求和公式中的净改为。起始周 数珈由试验结果确定。第二章焊材在循环荷载作用下的损伤累计模型 己第次半循环盾环夕缓妻。.口吝南。/圭 /吝,s/心/ 面、sII呈、卜次半循环夕、隧 蹄图.钢材考虑损伤累积效应的滞回模型 /第三章焊材及钢材在循环荷载下的损伤累计试验研究 焊材及钢材在循环荷载作用下的损伤累积试验研究试验目的及内容进行焊材及钢材损伤累积试验研究

22、的目的主要包括: 考察焊材在循环荷载作用下的力学行为和性能 研究各种因素对材料滞回性能的影响,包括材料型号、 应变幅度、加载机制常、变幅及升、降幅、试件尺 寸、焊接顺序、钢材轧制方向及焊材与钢材的异同等 基于试验所得的焊材的滞回性能,建立焊材的损伤累积 模型,并确定模型常数 为实现以上目的所进行的试验内容包括:节点焊接及试件制作 单调拉伸试验,以确定材料的一些基本性能,如屈服强 度、极限强度及极限应变,弹性模量等,为损伤模型的 建立及低周疲劳试验提供数据 低周疲劳试验,观察各种工况组合的试件在循环荷载下 的行为并获得其滞回曲线,为损伤模型的建立及模型常 数的确定提供数据试验过程.节点焊接及试件

23、制作分别采用工程中常用的及钢材,由上海宝冶集团 高级焊工焊接成全熔透型角焊缝,如图.所示,并分别标为 和。自两边焊缝中沿纵向抽取全焊缝试件,如图.所示,并分别标注,以观察焊接顺序对焊缝拉伸及滞回性能的影响。为研究焊接热量对母材近缝区的影响,同时在图.所示位置 试件标为及焊接前钢板抽取钢材试件。钢材材性沿轧 制方向和垂直于轧制方向的材性是有所差异的,为考察轧制方向 对钢材滞回性能的影响,对钢材,在平行和垂直于轧制方向 各取相应试件。拉伸及低周疲劳试件的加工完全符合相应的国家标准。为保第三章焊材及钢 材在循环荷载下的损伤累计试验研究证得到全焊材试件,试件抽取前,首先自型焊接节点中切出 厚的横截面,

24、打磨并在%溶液中浸蚀,以显示的 焊材区域的精确边界为准进行加工。.拉伸试验对和焊接节点,从钢板、两边焊缝分别取个标准比例圆棒试件,如图.所示。试件尺寸及试验过程符合中国国家标准/。拉伸试验在同济大学材料力学试验室试验机上进行,采用的引伸计标距为,延伸率为%,因此可获得钢材及焊材的全应力应变曲线。图.焊接节点示意图,单位为衄第三章焊材及钢材在循环荷载下的损伤累计试验研究,。、,、 ,厶、,厶、 , 图.拉伸试件.低周疲劳试验 试验为室温完全拉压循环,在上海交通大学力学试验室 试验机上进行,如图.所示,采用计算机控制应变,所 有试件均采用三角波,加载频率为.,试验程序符合中国国家 标准/ ?。试验

25、过程每周循环的全应力应变反应由计 算机记录。.低周疲劳试验试件全焊材试件尺寸受如下条件限制:一方面,由于试件承受较大塑性压应变,为避免失稳,试件的标距/直径比应尽量小,然而,由于采用应变控制,试件的标距必须大于可用的最小的引伸计标距,这意味着试件的直径必须大于一定的数值;另一方面,试件的直径也受试验机最大承载力的限制,同时,全焊材试件是从焊接型节点中抽取的,因此其最大值是受限的。经过计算及初步试验,最终采用的试件形式及名义尺寸如图.所示,其直径为最 大的可取全焊缝试件。基于失稳对试验结果有重要影响,对 钢板另取一组大直径试件,以研究试件尺寸对材料滞回性能的影 响。各试件实测尺寸列于附录表.。第

26、三章焊材及钢材在循环荷载下的损 伤累计试验研究图. 试验机十五卜?上因?二图.循环拉压试件,单位为第三章焊材及钢材在循环荷载下的损伤累计试验 研究.加载机制为考察应变幅值大小和变化对材料滞回性能的影响,钢材和 焊材试件各有一部分试件进行等应变幅循环,另外一部分为变应 变幅循环。等幅循环的应变幅包括.,.,.,.,.和.。变应变幅试验中的部分试件为升幅,应变幅值按低到高,比如按.,.和.顺序分别施以个半循环后,应变幅值增加到.直至最后试件破坏;部分试件为降幅,比如依.,.,.次序各个半循环,然后应变幅降为.循环至试件破坏。试件加载以拉伸开始,至设 定应变幅值后卸载并施以压力直至达到数值相同的反向

27、压应变 值。试验各试件的加载应变幅值见表.。对钢焊材,因试 件加工方未按要求标注取自哪边焊缝,故循环试验未分左右焊缝 焊材,但据试件尺寸及外观,可大概判断试件.,同属 一条焊缝。表.中升幅为:按应变幅.等幅循环加载 周,即个半循环后应变幅增加为.,等幅循环加载 周后应变幅提高到.,等幅加载直至试件破坏。其他见表., 表中括号内数字为循环半周数。表.焊材及钢材低周疲劳循环试验加载设计试件编县士. :.士.升幅 士.士. 士. 士.土. 升幅降幅, 士. :.士.升幅升幅降幅 降幅士. 士:.降幅 升幅降幅士. 士. 士. .” 升幅降幅. 士.士. . 降幅升幅士. 士. 士. 士.升幅升幅 降

28、幅降幅第三章焊材及钢材在循环荷载下的损伤累计试验研究表.变幅循环机制升幅升幅 升幅升幅.一士.一:.一士.一士.一 ,士, 士.士.一 士.一.一破坏 :.一破坏卸.一破坏士.一破坏降幅降幅 降幅降幅士.“一 :.一士.一士.卜.一士.一士.士.一士.一 士.一 士.士.一破坏士.一破坏 士.一破坏 士.一破坏试验结果与讨论.拉伸试验拉伸试验所得的钢材及焊材的平均屈服强度瓯、极限强度瓯、屈服应变曷和极限塑性应变:结果列于表.,图.给出几条典型的各材料应力应变曲线。对比节点左边焊缝焊材号拉伸 试件.曲线红色细线和右边焊缝焊材号拉伸试件 曲线红色粗线,以及节点左边焊缝焊材试件 .绿色细线和右边焊缝

29、焊材试件曲线绿色 粗线可见,受焊接过程的影响,左右两条焊缝的材料特性稍有 差异,且强度的差异较大,而应变强化的差异较小。同样受焊接 过程的影响,取自焊接后节点的钢材试件的材性数据离散性较大, 对比曲线和,且与取自焊接前的钢板的试件 所测的材性有较大差异,尤其是应变强化系数,反映了热加工对 材性的影响。对同一钢板,平行与垂直于轧制方向的强度差别不 大,但极限应变数值有可见差异。第三章焊材及钢材在循环倚载的损伤累计 试验研究表.焊材及钢材拉伸试验结果材料 占:瓯 “西白钢材.近缝区钢材一平行钢材一垂直， 焊缝“. . . .焊缝钢材.钢材.焊缝焊缝图.钢材及焊材拉伸试验结果.低周疲劳试验.焊材如前

30、所述,对焊接节点分别自两边焊缝各取个试件,分别编号为?.。节点自两边焊缝分别各取及个试件,编号为.,共个试件,按表.所示加载机制进行低周疲劳试 验,其中试件.因试验操作失误,直接拉断,为无效试件,其余试件的疲劳破坏半周数IV列于表.。表.焊材低周疲劳试验破坏半周数结果试V应变幅件聃,号.士. :. .升幅 升幅.降幅.一.一.试验现象试件破坏的一般程序为:加载至一定循环数后,试件中段有 屈服现象,随后表面有数条可见环向微小斜裂纹出现,如图. 所示,此后随循环数增加,在试件承受拉力时,有新的裂纹出现,见图.,且清 晰可见裂纹长度及宽度逐步增加,如图.,最后试件在最大主裂纹处断裂破坏,如图.。试件

31、在循环初期 即可观察到受压过程中有失稳现象,如图.所示,其破坏后形 态见图.。图.试件表面可见斜裂纹第三章焊材及钢材在循环荷载下的损伤累计试验研 究图.试件表面出现新裂纹 图.试件表面裂纹进一步扩展 图.试件在最大主裂纹处破坏图. 试件失稳第三章焊材及钢材在循环荷载下的损伤累计试验研究图. 试件破坏后循环特性滞焊材试件的应力应变滞回曲线分别示于图.。回曲线显示,试件初始几周有循环硬化出现,随后屈服强度和杨氏模量开始退化,在循环荷载后段十分明显,如图中虚线所示。图. 试件应力.应变滞回曲线第三章焊材及钢材在循环荷载下的损伤累计试验研究图. 试件应力.应变滞回曲线瑭憎”、8.汐圳：少 :星荨砻 圈

32、圈躅霉霹蹬掣竺哆。一?图.试件应力应变滞回曲线;：;：叁三兰堡垒垒堡丝垒堡至堡彗三竺堡丝量兰鎏墼至窒图.试件应力应变滞回曲线图.试件应力.应变滞回曲线第三章焊材及钢材在循环荷载下的损伤累计试验研图.试件应力应变滞回曲线巴厂一。：二: 。雾爱薹互一,。一璽个 二二二黔II 多一 一”o%0兹：七乱眦,褫为芬II,： II一。二、：“”,II 二 OO:二 ?，O O 影OOO 眩爹“,：。一一?图.试件应力应变滞回曲线第三章焊材及钢材在循环荷载下的损伤累计试验研究?固矗睡黟/曩:II :囊吨石.:“”“”.咖兹赢二涵?矽.。一?。一。图. 试件应力.应交滞回曲线“。I。萄垆缈、。;科。,.。.?

33、雒。?曩%笋罗:”?图. 试件应力.应变滞回曲线第三章焊材及钢材在循环荷载下的损伤累计试 验研究?爱缎.二二;二/二三鬟:三三量三 ;主丰;.群% 誉 荔至步三三举兰;趱 彪荔毳; 翟麟擎孝。一/?/舱一。磊乒.|,，/脚弄彩:麓II/,鹰主豢耋;每兹;弄荔”缪为夕I隧攀;差蠢/黪孳;事一:二娑邕矿一图.试件应力一应交滞回曲线匕?一?:。工;？兰 一。OOO ?图.试件应力一应变滞回曲线第三章焊材及钢材在循环荷载下的损伤累计试验研究图试件应力一应变滞回曲线尸毳器囊夕耋;乏。耵 。? ,影 :?oo *00/II露爹爹图试件应力应变滞回曲线第三章焊材及钢材在循环荷载下的损伤累计试验研究?三:芒“

34、”/卜。一。.。?/一。.。一。.。.: ,。.。./。.。?。OO O / O OO *O 50 *ooo / o *o o/ :么,一一二兰碰篁,图. ?试件应力.应变滞回曲线霹溪誊 ;II:？” 。?, 醛, .? ?,.一./”。.。、。霞零誊型,:名。二 【图.？试件应力.应变滞回曲线第三章焊材及钢材在循环荷载下的损伤累计试验研究图. ?试件应力.应变滞回曲线乏缀罗雩多可:.:.褫弘为一兹?二唯。一尹/产?一咿登。：卜牲夕吵II匕S。二咨为少图.？试件应力应变滞回曲线第三章焊材及钢材在循环荷载下的损伤累计试验研究?,，?矽为石多之互甭哆I缀麓/爹爹九吨卜卜噬狰夕吵矽?毪爹/影。留为么

35、力/儿鲤毛备荔少图.?试件应力应变滞回曲线图.?试件应力.应变滞回曲线第二三章焊材及钢材在循环茼载的损伤累计试验 研究应力幅值一般来说,金属材料在承受循环荷载时,取决于材料的原始状态、结构特征、应变幅度和温度等,可能出现循环硬化或循环软化。对常应变幅循环,循环软化材料的应力幅值随循环次数增加而降低。 图.为焊接节点焊材各试件应力峰谷值随循环次数的变化过程,图.和.分别给出焊接节点两边焊材各试件应力峰谷值随循环次数的变化过程。按图所示 模型测得的每半循环的屈服应力值随循环次数的变化过程与应力 幅值的变化规律相同。结合试件的滞回曲线,可以判断所研究的和节点焊材均为循环软化材料。图. 节点焊材各试件

36、应力峰谷值.循环半周数关系第三章焊材及钢材在循环荷载的损伤累计试验研究图. 节点左焊缝焊材各试件应力峰谷值.循环半周数关系图. 节点右焊缝焊材各试件应力峰谷值.循环半周数关系第三章焊材及钢材 在循环荷载下的损伤累计试验研究以图.所示的节点焊材试件的最大应力值的发展为例,忽略起始几周的强化,应力幅值的退化大体可分为三个阶段,在循环第一阶段,应力退化较快,但退化速度逐步减小,第二阶段为相对稳定阶段,损伤累积速度维持稳定,在第三阶段应力退化加快,且速率增加,直至破坏。这三个阶段分别对 应于微裂纹产生、微裂纹稳定增长、和宏观裂纹的扩展。 应力肝气.?、耋循环半届II图.试件应力峰谷值随循环半周数的发展

37、为考察不同应变水平下各阶段的比重,将循环周数无量纲化,所得结果示于图.?.。对常幅循环,如图.,不同应变幅载荷下各试件三个阶段的起始点非常近似,都在循环周数约为%寿命时结束第一阶段进入微裂纹稳定增长阶段 ,应力的加速退第三审焊材及钢材在循环荷载的损伤累计试验研究化则都在进行到%全寿命时开始。各试件第二阶段的退化速度基本相同,而第一、第三阶段试件间差异更为明显,说明应变幅值大小对初始微裂纹萌生和循环后期宏观裂纹的增长影响较大。 这点与毛雪平等对疲劳软化转子钢常温下低周疲劳试 验结果相同。图. 节点左焊缝焊材各试件应力峰谷值一无量纲循环半周数 /关系第三章焊材及钢材在循环荷载的损伤累计试验研究 图

38、. 节点左焊缝焊材各试件应力峰谷值一无量纲循环半周数 /关系图. 节点右焊缝焊材各试件应力峰谷值一无量纲循环半周数,砌关系第三章焊材及钢材在循环茼载的损伤累计试验研究 图.节点焊材各常幅循环试件应力峰谷值概关系对比 为更清楚研究变幅循环以及载荷次序的影响,将节点焊 材变幅试件.另示于图.。对比常幅及变幅 疲劳寿命可见,与常幅试验中不同应变幅值的影响相同,变幅试 件在承受同一应变幅值过程呈现应力退化现象,节点焊材试 件的退化速度基本相同,而节点焊材受加载次序的影响更为 明显。对比变幅循环试件.与常幅试件的疲劳寿命, 变幅试件在首先承受低应变幅.、.、和.各周后, 在.应力幅水平又承受的半循环数为

39、,而直接承受常应变幅.的试件.的总循环半周数为。变幅试件.与常幅试件.,以及与.对比有 同样的结果。可见先进行的低应变幅循环反而提高了后继高应变 幅时的寿命,此时的线性叠加理论不再适合。高一低变幅循 环结果与低.高正好相反,先进行的高应变幅明显降低了后继低应变幅循环的周数,试件.的应力退化速度也有明显提高。第三章焊材及钢材在 循环荷载的损伤累计试验研究图.节点焊材各变幅循环试件应力峰谷值VIII慨关系图和.表明,节点左、右焊材各有一个试件, 和,在循环后期试件破坏前又出现强化现象。其 原因尚不确定,可能与试件局部微观结构有关。从各试件的破坏 面来看,这两个试件与其他试件相比破坏面在循环后期有明

40、显屈 服现象,此时的屈服使局部应变提高,达到单调拉伸曲线屈服平 台后硬化段,从而使产生相同应变值所需的应力提高。 材料所受的初始拉力使材料微观结构发生变化,新产生的位 错与原有位错交互作用,使进一步的位错受阻,表现为要使材料 发生同样的滑移需要更大的外力,即硬化现象。根据的 理论,此时材料中并没有发生原子键的断裂,塑性应变是由于位 错运动产生的滑移而致,即材料中并没有损伤产生。再结合上述 材料宏观应力,对焊材的损伤变量公式进行修正,记入损伤 起始周数胛,即求和公式中的改为押。各试件的损伤起 始周数门。按屈服应力的变化确定,见表.。第三章焊材及钢材在循环荷载下 的损伤累计试验研究模型参数确定对试验数据按.节所述进行拟合,可得各试件的模型参数,见表.。疲劳破坏是由于产生微观裂纹以及裂纹随后生长、扩展所致,而微观裂纹的萌生和扩展都受到显微结构中局部差异的影响显微结构愈复杂,影响愈明显,所以名义相同材料的不同试件其寿命可能是不同的,这也是一般疲劳试验结果离散性较大的原因之一。表.所示本文试验测得的参数亦有一定的离散性。在实际工程应用中获得结构或构件显微结构的全图是不现实的, 同时考虑到计算过程中其他不确定因素的影响,这一离散性是工 程上可接受的,模型也因其简单、直观而易于工程上应用。从研 究角度讲,尚需更多试验结果,以量化的表征各因素的影响,运 用统计手段确定模型的可靠度。