残余应力和损伤对焊接厚板组合构件的力学性能影响的研究.pdf
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1、致谢 本论文的工作是在我的导师杨娜老师以及副导师王晓峰老师的悉心指导下 完成的,杨老师从论文的选题,研究的方法以及文献搜集上对我进行了耐心的指 导,不断提出建议与意见,并为我提供了许多学术交流的机会,增加我的学术视 野;王晓峰老师从论文的具体工作上给了我极大的帮助,他在有限元理论方面的 极高造诣让我受益匪浅,在本文的有限元模拟及编程中,不断给我提出建议,帮 助我攻克科研中遇到的每一个难题。日常生活中,两位老师也对我给予了极大地 关心与帮助,在此衷心感谢我敬爱的导师,祝福老师身体健康,工作顺利,阖家 幸福。 感谢课题组杨庆山老师提供的众多的学术报告的机会,使我能够开拓视野, 增加科学知识,与国内
2、外著名学者交流思想。感谢课题组邢估慧老师在平时给予 我的帮助,邢老师对于我的科研工作和论文提出了许多宝贵意见,感谢课题组李 波、陈波、卢明奇、田玉基以及郑丹老师在平时课题组学习与生活中上给予了我 的关心和帮助,在此向各位老师表示衷心的感谢。 在课题组学习及撰写论文期问,彭雄、林升、许鑫森、刘振林、李颖、郭子 昭、李凡、吕兴远、郭邵钦、姜海昆、王阳、邱雪、苏超、吴超等同学对我的研 究工作给予了热情帮助,在此向他们表达我的感激之情。 另外感谢我的女朋友王东洋同学在我背后给予的精神支持,同时也感谢我的 父母,他们的理解和支持使我能够在学校专心完成学业。 本课题承蒙国家自然科学基金面上项目( 51 0
3、 7 8 0 2 6 ) ,( 51 2 7 8 0 4 9 ) ,教育部新 世纪优秀人才奖励计划( N c E T 1 1 0 5 7 1 ) 以及中央高校基本科研业务费专项资金 ( 2 0 1 2 J B M 0 0 7 ) 资助,特致殷切谢意。 中文摘要 中文摘要 摘要:焊接厚板组合构件由于其轻质高强,力学性能良好而在高层建筑结构,大 跨桥梁,核反应壳以及航空母舰等重大工程中广泛应用。厚钢板由于加工制造中 存在分层偏析,焊接过程中产生残余应力以及在荷载作用下损伤累积,容易发生 层状撕裂及脆性断裂等破坏现象。目前关于焊接厚板构件考虑损伤与残余应力的 研究很少,严重制约了厚板构件的设计理论发
4、展以及工程应用。通过研究残余应 力与累积损伤对焊接厚板组合构件力学性能的影响,有助于深入认识厚板构件力 学性能及其破坏特征,为工程设计提供科学依据,具有重要的理论意义和工程应 用价值。 本文以厚钢板为研究对象,通过建立残余应力和累积损伤模型,借助通用有 限元软件A B A Q U S 的U M A T 二次开发平台,研究了残余应力与累积损伤对构件 及结构的静、动力学性能的影响。主要内容可分为三部分。 首先,本文研究了残余应力对焊接厚板及箱型厚板构件在纯弯及拉伸荷载作 用下静力及滞回性能的影响。提出了通过折减构件热影响区的屈服强度来考虑残 余应力影响的简化方法,解决了当前施加残余应力的方法复杂,
5、不便于在结构中 应用的难题,通过算例与已有文献中的方法进行对比验证,结果表明,这种简化 方法具有较好的精度。 其次,本文将损伤变量作为累积塑性应变的函数,耦合到金属的弹塑性本构 理论中,并推导出损伤演化模型。借助A B A Q U S 的U M A T 二次开发接口,编制 了实体单元及梁单元的理想弹塑性损伤本构子程序,研究了累积损伤对焊接厚板 及箱型厚板构件在纯弯及压弯荷载作用下滞回性能的影响; 最后,基于本文提出的残余应力简化方法及损伤模型,研究了损伤与残余应 力共同作用对焊接厚板及箱型厚板构件在纯弯及压弯荷载作用下滞回性能的影 响,以及损伤与残余应力共同作用对厚板框架在循环静力推覆荷载与地
6、震荷载作 用下力学性能的影响。 研究表明,残余应力可使得构件提前进入塑性,但由于塑性重分布的作用, 残余应力对构件承载能力和滞回性能的影响很小。而材料累积损伤会造成构件及 结构的刚度退化,滞回环面积减小,耗能能力降低。在残余应力与损伤的共同作 用下,累积损伤对构件及结构的滞回性能影响显著,残余应力影响较小。二者均 会对结构的动力性能产生影响,使得结构顶点位移与层问位移加大。总体来说, 损伤的影响作用比残余应力的影响作用更为显著。 关键词:焊接厚板组合构件、累积损伤、残余应力、滞回性能、动力性能 分类号:T U 3 9 1 北京交通大学硕士学位论文 A B S T R A C T A B S T
7、 R A C T :B e c a u s eo fi t sl i g h tw e i g h t ,h i g hs t r e n g t ha n de x c e l l e n tm e c h a n i c a l p e r f o r m a n c e ,w e l d e dt h i c ks t e e lp l a t e sa r ew i d e l yu s e di n t h eh i g h r i s eb u i l d i n g s , l o n g - s p a nb r i d g e s ,n u c l e a rr e a c
8、t i o n ss h e l l ,t h ea i r c r a f tc a r r i e ra n do t h e rm a j o rp r o j e c t s H o w e v e r , l a m i n a t i o na n ds e g r e g a t i o nc a u s e di nt h em a n u f a c t u r i n g ,r e s i d u a ls t r e s s e s g e n e r a t e di nt h ew e l d i n ga n dt h ec u m u l a t i v ed a
9、 m a g ei n d u c e du n d e rl o a d se x p o s et h i c k s t e e lp l a t e st ol a m e l l a rt e a r i n ga n db r i t t l ef r a c t u r e T od a t e ,t h e r e Sl i t t l er e s e a r c h c o n c e m i n gr e s i d u a ls t r e s s e sa n dd a m a g e ,w h i c hr e s t r a i nt h ed e v e l o
10、 p m e n to f t h e i rd e s i g n t h e o r i e sa n da p p l i c a t i o n si nt h e e n g i n e e r i n g S t u d yo ft h er e s i d u a l s t r e s s e sa n d c u m u l a t i v ed a m a g ec a nh e l pt ob e t t e ru n d e r s t a n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n df a i l u r e
11、c h a r a c t e r i s t i c so ft h i c ks t e e lp l a t e sa n dt op r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rd e s i g n e r s I ti s t h e o r e t i c a l l ys i g n i f i c a n ta n dp r a c t i c a l l yv a l u a b l ei nt h ee n g i n e e r i n g I nt h i s p a p e r , r e s i d u a ls t
12、 r e s s e sa n dd a m a g ea r em a i n l yc o n c e r n e d ,a n dt h e i r i n f l u e n c e so nt h es t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h i c ks t e e l p l a t e sa r cs t u d i e d t h r o u g ht h es u i t a b l em o d e l so fr e s i d u a ls t r e s s e sa n dd a m a g e
13、o nt h eb a s i so ft h ef i n i t e e l e m e n ts o f t w a r eA B A Q U Sa n di t si n t e r f a c eU M A T T h em a i nc o n t e n tc a nb ed i v i d e di n t ot h r e ep a r t s F i r s t l y , e f f e c t so ft h er e s i d u a ls f f e s s e sa r es t u d i e do nt h es t a t i ca n dt h eh y
14、 s t e r e t i c b e h a v i o r so fw e l d e dp l a t e sa n dab o xc o l u m nu n d e rp u r eb e n d i n ga n da x i a ll o a d i n g A s i m p l i f i e dm e t h o dt h a ti sc a p a b l eo fc o n s i d e r i n gr e s i d u a ls t r e s s e si sp r e s e n t e db y r e d u c i n gt h ey i e l d
15、s 打e n g hi nt h eh e a t - a f f e c t e dz o n e ,w h i c hs e r v e st oa d d r e s st h e p r o b l e mo fi t sc o m p l e x i t ya n di n c o n v e n i e n c ei na p p l i c a t i o n C o m p a r i s o n sw i t ht h e l i t e r a t u r es h o wt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o di sa c c u r
16、a t e S e c o n d l y ,t h ed a m a g ev a r i a b l ei st a k e na saf u n c t i o no ft h ea c c u m u l a t e dp l a s t i c s t r a i na n da d d e dt ot h em e t a le l a s t o p l a s t i cc o n s t i t u t i v er e l a t i o n s h i p T h e n ,t h ed a m a g e e v o l u t i o nm o d e liSd e
17、r i v e d W i t ht h ea i do fA B A Q U Si n t e r f a c eU M A T t h ei d e a l e l a s t o p l a s t i cd a m a g ec o n s t i t u t i v es u b r o u t i n ei sd e v e l o p e df o ras o l i de l e m e n ta n da b e a me l e m e n t A f t e rt h a t ,i ti su s e dt os t u d yt h ee f f e c to fc u
18、 m u l a t i v ed a m a g eo nt h e h y s t e r e t i cb e h a v i o r so fw e l d e dt h i c kp l a t e sa n dab o xc o l u m nu n d e rp u r eb e n d i n ga n d c o m b i n e db e n d i n ga n da x i a ll o a d i n g F i n a l l y , b a s e do nt h es i m p l i f i e dm e t h o do ft h er e s i d
19、u a ls t r e s sa n dd a m a g em o d e l p r e s e n t e d i nt h i sp a p e r , c o m b i n e de f f e c t so fd a m a g ea n dr e s i d u a ls t r e s so nt h es t a t i ca n d d y n a m i cp e r f o r m a n c eo fw e l d e d - - t h i c k s t e e l - p l a t ec o m p o n e n t su n d e rp u r eb
20、 e n d i n ga n d V 1 A BS T R A C T c o m b i n e db e n d i n ga n da x i a ll o a d i n ga r es t u d i e d I na d d i t i o n ,t h e i re f f e c t so nt h e m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew e l d e d - t h i c k - s t e e l - p l a t ef la m eu n d e rt h ec y l i ca n
21、d s e i s m i cl o a d i n ga r ea l s oa n a l y z e d R e s u l t ss h o wt h a tr e s i d u a ls t r e s s e sc a na c c e l e r a t e t h ep l a s t i cd e v e l o p m e n to ft h e c o m p o n e n t s B u t i th a si i t t l ei n f l u e n c eo nt h e i ru l t i m a t e s t r e n g t h a n dh y
22、 s t e r e t i c b e h a v i o r so w i n gt ot h er e d i s t r i b u t i o no fs t r e s s e s C u m u l a t i v ed a m a g ei nt h em a t e r i a lc a n l e a dt ot h es t i f f n e s sd e g r a d a t i o n ,r e d u c t i o no ft h eh y s t e r e f i cl o o pa r e aa n dd e c r e a s eo f t h ee
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