含物理缺陷薄壁鋼構(gòu)件的穩(wěn)定性理論與應(yīng)用.pdf

1、本文采用局部一整體相結(jié)合的方法，建立了一套分析含裂紋薄壁鋼構(gòu)件的穩(wěn)定性理論。并系統(tǒng)地研究了裂紋對(duì)受壓薄壁鋼構(gòu)件的彈性屈曲行為和極限承載力的影響。其中整體受壓柱按一維問(wèn)題分析，裂紋所在的局部按三維問(wèn)題分析。本文獲得的一系列非常有用的理論結(jié)果，為推動(dòng)含物理缺陷鋼結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性評(píng)估奠定了必要的理論基礎(chǔ)。本文首先回顧和分析了近代薄壁結(jié)構(gòu)非線性穩(wěn)定性理論的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，闡明了本研究的理論意義和應(yīng)用前景。然后，采用面場(chǎng)近似分析方法(CSSF

2、)求得了含中心裂紋薄壁構(gòu)件應(yīng)力強(qiáng)度因子的解析表達(dá)式。再采用Rayleigk-Ritz能量變分法，分別按照平面裂紋模型和空間裂紋模型計(jì)算得到了含裂紋偏心受壓柱的彈性撓度的級(jí)數(shù)解和最大撓度的通用解析解。最后，利用以上最大撓度解析解，推導(dǎo)了含裂紋受壓柱平衡路徑的控制方程，提出了一個(gè)帶裂紋軸壓柱彈性屈曲全過(guò)程的平衡路徑模型，并進(jìn)一步推導(dǎo)了利用雙參數(shù)準(zhǔn)則確定極限承載力的完備方程。本文還研究了利用位移引伸計(jì)測(cè)定薄板材料單軸損傷演化曲線的試驗(yàn)方法，提

3、出了一種標(biāo)定材料非線性塑性損傷參數(shù)的數(shù)值迭代擬臺(tái)方法，并探討了損傷力學(xué)在鋼結(jié)構(gòu)彈塑性穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用問(wèn)題。
　　 本研究主要工作和成果包括：⑴提出了求解薄壁構(gòu)件的應(yīng)力強(qiáng)度園子的裂紋面場(chǎng)近似分析方法(CSSF)，并取得了常見(jiàn)薄壁構(gòu)件無(wú)量綱應(yīng)力強(qiáng)度因子的兩個(gè)通用解析表達(dá)式。CSSF方法的要點(diǎn)是，先基于三維有限元計(jì)算分析的結(jié)果和無(wú)限大中心裂紋板的全場(chǎng)或近場(chǎng)應(yīng)力解析公式，構(gòu)建薄壁構(gòu)件沿裂紋所在截面正應(yīng)力的分布模型；然后利用構(gòu)件的平衡條

4、件確定無(wú)量綱應(yīng)力強(qiáng)度因子。與現(xiàn)有的數(shù)值結(jié)果比較表明，這些解析解不僅形式簡(jiǎn)單，而且結(jié)果可靠。⑵采用Rayleigh-Ritz能量變分法，分別按照平面裂紋模型和空間裂紋模型計(jì)算獲得了古裂紋偏心受壓柱的彈性撓度的級(jí)數(shù)解，特別是，取得了最大撓度的通用解析解。這對(duì)于解析研究受壓構(gòu)件彈性屈曲行為、確定極限承載力是非常重要的基礎(chǔ)。與現(xiàn)有轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧模型和等效截面剛度方法相比，該解的主要優(yōu)點(diǎn)是可以考慮柱在軸向壓力作用下裂紋的閉臺(tái)效應(yīng)。⑶利用偏心柱最大撓度解

5、析解，推導(dǎo)了含裂紋偏心柱平衡路徑的控制方程，首次提出了一個(gè)帶裂紋軸壓柱彈性屈曲全過(guò)程的平衡路徑模型。該模型首次揭示了裂紋對(duì)軸心受壓柱穩(wěn)定性的影響機(jī)理：當(dāng)橫向干擾位移大于一定程度時(shí)，裂紋才對(duì)軸壓柱臨界荷載有影響；當(dāng)橫向干擾位移小于一定程度時(shí)，裂紋只對(duì)軸壓柱的屈曲后過(guò)程有作用，而對(duì)臨界荷載無(wú)影響。從而指出了現(xiàn)有文獻(xiàn)的一些錯(cuò)誤結(jié)論。⑷在建立含裂紋偏心拄的屈服荷載方程和斷裂極限荷載方程后，進(jìn)一步推導(dǎo)了利用屈服一斷裂雙參數(shù)準(zhǔn)則確定結(jié)構(gòu)極限承載力的

6、完備方程，并研究了各種因素對(duì)由邊緣屈服破壞向裂紋擴(kuò)展破壞轉(zhuǎn)變的臨界長(zhǎng)細(xì)比、裂紋相對(duì)長(zhǎng)度和偏心度的影響規(guī)律。⑸針對(duì)含邊裂紋T形截面柱和帶多個(gè)邊裂紋矩形截面階梯柱兩種復(fù)雜情況，本研究求得了彈性撓度解，并建立了相應(yīng)的屈曲平衡路徑的控制方程和計(jì)算程序。⑹建立了一套利用位移引伸計(jì)測(cè)定薄板材料單軸損傷演化曲線的試驗(yàn)方法，首次提出了一種標(biāo)定材料非線性塑性損傷參數(shù)的數(shù)值迭代擬合方法。文中就試樣形狀尺寸的確定、主損傷區(qū)彈塑性大應(yīng)變的測(cè)控和卸載彈性模量的穩(wěn)

7、定性與精確測(cè)量等關(guān)鍵測(cè)試技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了深入細(xì)致的分析和實(shí)驗(yàn)研究，并從多角度對(duì)該試驗(yàn)方法的正確性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。針對(duì)LY12-CZ薄板材料的實(shí)驗(yàn)研究和分析表明，該損傷測(cè)試和數(shù)值擬合方法是切實(shí)可行的。⑺將冪強(qiáng)化材料模型和塑性損傷的非線性模型同時(shí)引入Shanley雙模量理論，改進(jìn)了彈塑性屈曲荷載的計(jì)算方法，推導(dǎo)了求解彈塑性屈曲荷載的選代方程，并采用算例進(jìn)行了分析討論。⑻系統(tǒng)分析了裂紋對(duì)薄壁截面柱彈性撓度和極限承載力的影響規(guī)律和程度，考查了平面