橋梁鋼斷裂韌性CTOD試驗(yàn)與仿真分析研究.pdf

1、隨著公路和鐵路建設(shè)的迅猛發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)橋梁向大跨度、大節(jié)段、結(jié)構(gòu)新穎美觀方向發(fā)展，焊接結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)大型化、厚壁化的發(fā)展趨勢，這就迫使工程人員采用高強(qiáng)度鋼材和厚鋼板。眾所周知，母材和焊接接頭的韌性不足，是焊接結(jié)構(gòu)破壞的主要原因。厚鋼板的大量采用會產(chǎn)生了一個與強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性同等重要的問題--厚鋼板及其焊接接頭的韌性控制。因此，準(zhǔn)確評定厚鋼板母材的韌性對于大型鋼結(jié)構(gòu)的防裂防斷，確保其安全性，十分重要。本文采用數(shù)值模擬仿真與試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法研

2、究了橋梁用鋼Q420qE和Q370qE的斷裂韌性問題，主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下：
　　 （1）針對東莞東江大橋設(shè)計要求，對主要橋梁用鋼Q420qE和Q370qE力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。選取兩種主要橋梁結(jié)構(gòu)鋼材Q420qE和Q370qE以及焊接接頭進(jìn)行了常溫力學(xué)性質(zhì)的測試。獲得了鋼材Q420qE和Q370qE的拉伸曲線，測定了各種力學(xué)指標(biāo)：屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、截面收縮率等參數(shù)。
　　 （2）分別對各組CTOD試件進(jìn)行了疲勞裂

3、紋預(yù)制試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中，首先采用較大的恒幅疲勞載荷預(yù)制裂紋，然后采用較小的恒幅疲勞載荷對試件完成剩余裂紋預(yù)制工作，通過這種方法可以制得裂紋根部半徑為零的疲勞裂紋，并且保證裂紋尖端不產(chǎn)生鈍化，同時節(jié)約了大量的預(yù)制疲勞裂紋時間。在整個試驗(yàn)過程中，由疲勞試驗(yàn)機(jī)的控制微機(jī)記錄了恒幅疲勞載荷的大小、加載時間、次數(shù)、頻率等數(shù)據(jù)。
　　 （3）分別對橋梁鋼試件常溫和低溫下斷裂韌度進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)研究了不同厚度兩種橋梁用鋼Q420qE和Q

4、370qE厚板試件同溫度下的斷裂行為，獲得了含裂紋試件的P-V曲線，并對斷口進(jìn)行了測量，根據(jù)結(jié)果計算出橋梁用鋼試件在不同溫度下的裂紋尖端張開位移值。并且對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，討論了板厚和溫度對橋梁用鋼Q420qE和Q370qE厚板試件CTOD斷裂韌性的影響規(guī)律。斷裂韌度CTOD試驗(yàn)結(jié)果表明：Q370qE母材、焊縫以及Q420qE母材、焊縫、熱影響區(qū)試件的斷裂韌性測試CTOD試驗(yàn)值受溫度影響很大，在溫度降低時，焊縫的斷裂韌性下降急??；而Q

5、370qE熱影響區(qū)斷裂韌度受溫度影響不明顯；同時，試件的CTOD值跟板厚關(guān)系密切。
　　 （4）基于線彈性斷裂力學(xué)的基本理論，運(yùn)用疲勞分析軟件對CTOD試件進(jìn)行裂紋擴(kuò)展分析，考慮到裂紋尖端處的應(yīng)力奇異性，在利用有限元方法計算穿透裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子時，裂尖區(qū)域選用了20結(jié)點(diǎn)三維等參奇異單元，可以保證結(jié)果的收斂性。通過數(shù)值模擬，本文建立了不同尺寸材料的試件裂紋長度與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線。通過仿真值與試驗(yàn)值對比表明選用以線彈性斷裂力學(xué)為基

6、礎(chǔ)的軟件計算橋梁鋼試件疲勞預(yù)制裂紋過程的正確性。
　　 （5）對金屬材料斷裂韌性測試中運(yùn)用的數(shù)值仿真方法的基本理論進(jìn)行了總結(jié)和分析，在采用有限元軟件ANSYS和LS-DYNA對CTOD試件的斷裂韌性計算結(jié)果與試驗(yàn)相比較的基礎(chǔ)上，證明了ANSYS和LS-DYNA對橋梁用鋼的斷裂韌性試驗(yàn)的三維數(shù)值模擬問題的有效性和可行性。通過計算仿真工作發(fā)現(xiàn)選用顯式積分法軟件LS-DYNA處理準(zhǔn)靜態(tài)斷裂破壞問題比隱式通用軟件ANSYS具有更高的精度

7、和可靠性，并且計算過程中，在保證計算精度的前提下，可以通過適當(dāng)?shù)奶岣呒虞d速度來縮短計算時間。同時本文研究了仿真計算模擬下的網(wǎng)格尺寸的選取和精度、計算時間控制的問題，通過研究結(jié)果，得出了橋梁用鋼斷裂韌性CTOD試驗(yàn)三維數(shù)值模擬計算的網(wǎng)格劃分尺度，有效的解決了利用有限元軟件LS-DYNA在金屬材料韌性計算研究上時間與精度上的優(yōu)化。
　　 （6）通過參考國內(nèi)外CTOD韌性測試規(guī)范和重要文獻(xiàn)，根據(jù)橋梁安全級別、重要性和服役溫度，對橋梁用