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，然而焊接構(gòu)件內(nèi)部的細(xì)觀缺陷卻始終無法避免;在結(jié)構(gòu)服役過程中，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)致的損傷演化過程跨越了細(xì)觀尺度和宏觀尺度。為了掌握細(xì)觀缺陷對構(gòu)件損傷跨尺度演化過程的影響，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>　　本文通過焊接構(gòu)件試樣拉伸過程的力學(xué)響應(yīng)與損傷跨尺度演化模擬實驗研究，分析了構(gòu)件塑性變形過程中細(xì)觀損傷演化機制與特征，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。基于實驗觀測發(fā)現(xiàn)的焊接區(qū)域損傷演化過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)對金屬構(gòu)件拉伸變形過程進行了聲發(fā)射探測實驗研究，通過不同變形階段聲發(fā)射信號特征的分析，研究了金屬構(gòu)件變形過程中的微孔洞形核、增長和聚合的演化機理，以及彈性階段、塑性流動階段、強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射線計算機斷層掃描和電測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，具有隨機分布特征;研究了這兩類形態(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)實驗研究發(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)對損傷演化過程的影響。應(yīng)用GTN損傷模型對含有不同幾何形態(tài)焊接缺陷的代表體元進行了有限元分析，揭示了缺陷形狀及體積對焊接構(gòu)件損傷

5、演化過程的影響。
　　4)研究了細(xì)觀裂紋型缺陷為主導(dǎo)的損傷表征方法。通過對焊接區(qū)域細(xì)觀裂紋擴展過程的實驗觀測結(jié)果的進一步分析，發(fā)現(xiàn)細(xì)觀裂紋擴展形態(tài)具有顯著的分形特征;進而研究了裂紋總長度和裂紋擴展的分形維數(shù)隨構(gòu)件塑性變形的演化特性，提出了用于描述細(xì)觀裂紋擴展的分形損傷變量及其多尺度損傷表征方法，并通過與現(xiàn)有的損傷變量的比較對其進行驗證。通過對多個樣本實驗數(shù)據(jù)的分析，得到了裂紋總長度和分形維數(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)對多尺度損傷演化過程的影響規(guī)律，以及多尺度損傷變量隨塑性變形的變化趨勢。
　　5)研究了細(xì)觀孔洞型缺陷為主導(dǎo)的損傷表征方法。通過對焊接區(qū)域細(xì)觀孔洞演化過程的實驗觀測結(jié)果的進一步分析，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，并通過與現(xiàn)有的損傷變量的比較對其進行驗證。通過對多個樣本實驗數(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，對構(gòu)件損傷程度及其損傷演化過程進行量化分析。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)觀和宏觀兩個尺度上的損