基于宏觀損傷力學(xué)的焊接試件疲勞壽命評(píng)估

摘要 隨著我國橋梁建造技術(shù)的快速發(fā)展，焊接連接在鋼結(jié)構(gòu)橋梁中得到了廣泛應(yīng)用，然而焊接過程不可避免地引入初始微缺陷和不均勻初始應(yīng)力場(chǎng)，使得焊接結(jié)構(gòu)的疲勞失效問題較于結(jié)構(gòu)母材更為復(fù)雜。為了準(zhǔn)確分析焊接結(jié)構(gòu)的疲勞損傷問題，對(duì)其疲勞壽命進(jìn)行有效評(píng)估，采用損傷力學(xué)的方法對(duì)典型的焊接接頭試件進(jìn)行了疲勞損傷分析研究。通過在廣義宏觀損傷力學(xué)的基礎(chǔ)上，引入材料細(xì)觀尺度本構(gòu)模型，對(duì)鋼橋中常見的焊接接頭疲勞壽命進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果表明：對(duì)多組不同載荷下的焊接接頭試件疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)的疲勞壽命與試驗(yàn)值相比均沒有超出試驗(yàn)值的3倍標(biāo)準(zhǔn)差范圍，說明可以采用引入細(xì)觀尺度材料本構(gòu)模型的宏觀損傷力學(xué)方法對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命進(jìn)行有效評(píng)估。

關(guān)鍵詞 宏觀損傷力學(xué)；細(xì)觀尺度材料本構(gòu)；耦合分析；壽命評(píng)估

中圖分類號(hào) TU311.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

0引言

疲勞問題一直是鋼結(jié)構(gòu)橋梁發(fā)生破壞的主要原因之一，結(jié)構(gòu)疲勞抗力的準(zhǔn)確評(píng)估對(duì)于鋼橋的正常使用和安全服役具有重要意義。鋼結(jié)構(gòu)橋梁在焊接過程中會(huì)不可避免地引入初始微缺陷和不均勻初始應(yīng)力場(chǎng)，使得焊接結(jié)構(gòu)的疲勞失效問題較于結(jié)構(gòu)母材更為復(fù)雜。

目前基于S-N曲線和Miner準(zhǔn)則的線性累積損傷理論和基于Paris的疲勞裂紋擴(kuò)展理論的斷裂力學(xué)方法以及損傷力學(xué)的評(píng)估方法在鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞壽命或疲勞抗力評(píng)估中得到了廣泛應(yīng)用；相較于前2種以彈塑性本構(gòu)理論為基礎(chǔ)的評(píng)估方法，損傷力學(xué)評(píng)估方法可以真實(shí)反映結(jié)構(gòu)非線性損傷累積的特性，通過將疲勞裂紋的萌生階段和疲勞裂紋的擴(kuò)展階段統(tǒng)一起來，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)疲勞損傷致結(jié)構(gòu)破壞的全過程分析。劉瀟然［1］以航天器結(jié)構(gòu)中常見的典型疲勞構(gòu)件為研究對(duì)象，針對(duì)傳統(tǒng)疲勞壽命評(píng)估方法估算精度低、評(píng)估結(jié)果的安全可靠性難以有效把握等問題，通過建立非嵌入多項(xiàng)式混沌展開和貝葉斯概率預(yù)測(cè)模型獲取參數(shù)概率特性，在宏觀損傷力學(xué)的基礎(chǔ)之上建立了非確定性疲勞壽命評(píng)估方法——概率疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了多重隨機(jī)載荷作用下細(xì)觀尺度應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的準(zhǔn)確分析以及結(jié)構(gòu)疲勞損傷的非線性連續(xù)累積。謝階棟［2］以彈性力學(xué)基本理論和宏觀損傷力學(xué)基本原理為出發(fā)點(diǎn)，驗(yàn)證了接觸應(yīng)力區(qū)的交變切應(yīng)力是導(dǎo)致滾動(dòng)軸承發(fā)生疲勞損傷的主要原因這一重要結(jié)論，并推導(dǎo)得到了滾動(dòng)軸承耦合接觸疲勞損傷模型；基于此，分析研究了多種因素對(duì)滾動(dòng)軸承疲勞壽命的差異化影響。李浩然［3］基于不可逆熱力學(xué)基本定律和宏觀連續(xù)介質(zhì)損傷唯象分析理論，推導(dǎo)得到高周疲勞損傷演化模型從單軸加載荷載工況到多軸加載荷載工況的基本約束條件；為了考慮非比例加載對(duì)材料疲勞壽命的影響，引入了修改微塑性循環(huán)系數(shù)法，進(jìn)而建立了計(jì)入非比例加載附加強(qiáng)化效應(yīng)的多軸、高周疲勞損傷演化模型的增量表達(dá)式。宋松［4］基于連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)（CDM）和熱力學(xué)方程基本原理，分析建立了描述航天器結(jié)構(gòu)在高低周復(fù)合載荷交互作用下發(fā)生疲勞失效問題的高低周復(fù)合疲勞損傷演化分析模型及其增量表達(dá)式，選取混合硬化模型來反映材料的彈塑性損傷力學(xué)行為，通過在高低周復(fù)合疲勞損傷演化分析模型中考慮材料混合硬化效應(yīng)，對(duì)典型鈦合金材料Ti-6Al-4V的疲勞損傷壽命進(jìn)行了有效評(píng)估。

本文通過在廣義宏觀損傷力學(xué)的基礎(chǔ)上，引入材料細(xì)觀尺度本構(gòu)模型，對(duì)鋼橋中常見的焊接接頭試件疲勞壽命進(jìn)行了評(píng)估。

1損傷力學(xué)理論

1.1損傷變量

1.2演化模型

2損傷演化參數(shù)確定

3裂紋疲勞壽命研究

從文獻(xiàn)［9］中選取多組對(duì)接焊縫試件的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，建立ABAQUS實(shí)體單元有限元模型（單元類型為C3D8），材料常數(shù)與文獻(xiàn)［9］中保持一致（鋼材彈性模量為206GPa，密度取為7850kg/m3，泊松比為0.3），約束設(shè)置情況為：將焊接試件的夾持部位一端固定，在夾持部位的另一端施加與試驗(yàn)載荷水平相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力幅值，計(jì)算得到有限元模型在不同載荷水平下的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)。完成文獻(xiàn)［9］中各個(gè)荷載工況下多組對(duì)接焊縫試件應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的計(jì)算后，結(jié)合文獻(xiàn)［8］中選取的不等厚對(duì)接焊縫試件的疲勞試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)擬合得到的損傷演化相關(guān)參數(shù)m和s（m和s的最優(yōu)取值分別為1.05和0.96），通過在MATLAB軟件中編程，對(duì)文獻(xiàn)［9］中多組對(duì)接焊縫試件的疲勞壽命進(jìn)行分析（表2、圖2）。

4結(jié)束語

本文在廣義宏觀損傷力學(xué)的基礎(chǔ)上，引入材料細(xì)觀尺度本構(gòu)模型，首先從文獻(xiàn)［8］中選取多組不等厚對(duì)接焊縫試件疲勞試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)材料損傷演化相關(guān)參數(shù)m和s進(jìn)行了擬合；其次，基于擬合得到的材料損傷演化參數(shù)，對(duì)文獻(xiàn)［9］中多組對(duì)接焊縫試件的疲勞壽命進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，結(jié)果表明：對(duì)多組不同載荷下的焊接接頭試件疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)的疲勞壽命與試驗(yàn)值相比均沒有超出試驗(yàn)值的3倍標(biāo)準(zhǔn)差范圍，說明可以采用引入細(xì)觀尺度材料本構(gòu)模型的宏觀損傷力學(xué)方法對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命進(jìn)行有效評(píng)估。

參考文獻(xiàn)

［1］劉瀟然.金屬結(jié)構(gòu)雙尺度概率疲勞壽命預(yù)測(cè)方法研究［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2019.

［2］謝階棟.基于損傷力學(xué)的滾動(dòng)軸承疲勞壽命預(yù)測(cè)［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2018.

［3］李浩然.基于損傷力學(xué)的多軸高周疲勞壽命預(yù)測(cè)方法研究［D］.秦皇島：燕山大學(xué)，2015.

［4］宋松.基于連續(xù)損傷力學(xué)的Ti-6Al-4V鈦合金高低周復(fù)合疲勞損傷研究［D］.天津：天津大學(xué)，2018.

［5］LemaitreJ.ACourseonDamageMechanics［M］.Berlin：Springer-Verlag，1996.

［6］ShenF，HuW，MengQ，etal.Anewdamagemechanicsbasedapproachtofatiguelifepredictionanditsengineeringapplication［J］.ActaMechanicaSolidaSinica，2015，28（5）：510-520.

［7］王虎.基于細(xì)觀力學(xué)的振動(dòng)疲勞研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2018.

［8］秦順全.武漢天興洲公鐵兩用長(zhǎng)江大橋關(guān)鍵技術(shù)研究［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［9］郝李鵬.高強(qiáng)度鋼材焊縫連接接頭靜力和疲勞性能試驗(yàn)研究［D］.西安：西安理工大學(xué)，2017.

［10］RabotnovYN.Ontheequationsofstateforcreep［J］.ProgressinAppliedMechanics，1963，307-315.

［11］LemaitreJ.Howtousedamagemechanics［J］.NuclearEngineeringandDesign，1984，80（2）：233-245.

［12］ChabocheJL.Continuousdamagemechanics—Atooltodescribephenomenabeforecrackinitiation［J］.NuclearEngineeringamp;Design，1981，64（2）：233-247.