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《华中科技大学》 2010年
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焊接桥梁钢疲劳裂纹扩展行为研究

刘艳萍  
【摘要】:焊接桥梁结构中裂纹的萌生以及扩展,对桥梁结构的安全构成了重大的威胁。研究焊接结构疲劳裂纹扩展行为以及疲劳寿命的预测,可进行结构的抗疲劳设计,为结构安全使用提供重要的理论基础。本文以天兴洲公铁两用长江大桥为背景,在铁道部攻关项目”焊接结构疲劳裂纹扩展速率及其应用”的支持下,采用试验分析与有限元数值模拟相结合的方法,系统地研究14MnNbq焊接桥梁钢穿透裂纹和表面裂纹的疲劳扩展行为及寿命预测。本文的主要研究工作与成果有: (1)对14MnNbq焊接件的疲劳裂纹扩展性能进行了系统的试验研究,得到了可供实际工程抗疲劳设计的基本参数。获得了14MnNbq母材、焊接热影响区和焊缝试样在应力比R=0.05,0.25和0.50时的扩展速率曲线和裂纹扩展门槛值。通过讨论Pairs材料参数C和m与应力比R的关系,给出母材和焊接热影响区试样统一的裂纹扩展速率表达式。使用该表达式,任意应力比时的扩展速率可通过R=0时的扩展速率曲线来确定。比较母材、焊接热影响区和焊缝的扩展速率与门槛值,认为焊接热影响区(HAZ)是焊接结构疲劳裂纹扩展控制区域。这些结论对进行14MnNbq焊接桥梁钢的抗疲劳设计提供了试验依据。 (2)提出了一种由门槛值确定疲劳裂纹扩展闭合参数的方法。由门槛值以及裂纹扩展速率的试验结果,给出了母材和焊接热影响区在不同应力比时(R=0.05,0.25和0.50)的闭合参数U。使用本文方法确定的闭合参数,不同应力比的扩展速率趋于致,可较好地描述应力比R对扩展速率的影响。 (3)提出了与载荷水平有关的表面裂纹疲劳扩展速率修正函数及其估计方法。该修正函数由R=0.05时穿透裂纹和表面裂纹扩展速率的试验结果确定,可较好的预测表面裂纹在拉伸和弯曲载荷作用下,不同应力比R=0.05,0.25和0.50时的扩展速率。基于此,给出了表面裂纹疲劳扩展形状变化与寿命的分析预测。通过与大量表面裂纹的试验结果相比较,验证了本文所提出方法的可用性。这些结论为含表面裂纹焊接桥梁结构的抗疲劳设计提供了试验和理论依据。 (4)在虚拟裂纹闭合方法(VCCT)的基础上,对现有的近似裂纹前沿方法(zigzagapproximate crack front)进行了一系列的修正和改进,包括虚拟闭合面积的修正,节点张开位移的修正。本文修正方法与现有方法进行了比较,结果表明,本文方法确定的虚拟闭合面积满足几何连续假设,且使用本文方法可用来处理裂纹前沿非对称.的有限元模型。 (5)详细评价了本文修正的近似裂纹前沿方法在确定能量释放率G时的计算精度。本文修正方法适用于两种网格模型:精确网格模型和锯齿(zigzag)形网格模型。使用精确网格模型时,有限元中裂纹尖端的节点位置与实际裂纹前沿精确吻合。本文修正方法的计算结果与解析结果以及其他有限元结果吻合较好,误差较小。使用zigzag网格模型时,裂纹尖端的节点位置与实际裂纹前沿不需严格匹配。因此,可用简单的有限元模型模拟任意形状的裂纹前沿,且在计算裂纹扩展时不需要使用自适应的重新划分网格技术。局限在于,计算获得的能量释放率G呈锯齿形震荡分布。本文提出的修正方法与现有方法进行了比较,结果表明,使用本文修正方法确定的能量释放率G的计算精度高于现有近似裂纹前沿方法的结果。 (6)采用本文给出的修正的近似裂纹前沿方法,进一步研究了复杂裂纹扩展的三维有限元模拟。采用精确网格模型时,使用Paris公式计算裂纹扩展。以表面裂纹为例,给定Paris公式,可获得与试验结果吻合的形状变化和扩展寿命结果,从而验证了本文方法的有效性。采用zigzag网格模型时,使用复合断裂准则判断裂纹扩展,给出穿透裂纹,1/4椭圆形角裂纹和双头裂纹的扩展算例。结果表明,所提出的方法能有效模拟复杂裂纹的扩展过程,且计算中不需使用自适应重新划分网格技术。研究中还发现:本文所提出的方法具有快速收敛、适应不同网格密度和误差小等显著的优点。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:O346.1

【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 张天会;新型低碳贝氏体钢焊接接头疲劳裂纹扩展可靠性研究[D];昆明理工大学;2012年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前9条
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中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 祝时召;14MnNbq钢和焊接件的疲劳裂纹扩展研究[D];华中科技大学;2006年
【共引文献】
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
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7 张亚军;梁健;张欣耀;查小琴;;一种悬臂弯曲加载表面裂纹扩展试样及其应用[A];2008全国MTS断裂测试研讨会论文集[C];2008年
8 钟卫洲;罗景润;宋顺成;陈刚;黄西成;;基于三种断裂准则对裂纹扩展过程的数值模拟[A];中国计算力学大会'2010(CCCM2010)暨第八届南方计算力学学术会议(SCCM8)论文集[C];2010年
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10 段静波;李道奎;尚国华;雷勇军;;裂纹尖端“加料”奇异单元周围的过渡等参单元研究[A];中国计算力学大会'2010(CCCM2010)暨第八届南方计算力学学术会议(SCCM8)论文集[C];2010年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 林荣伟;CFL加固RC梁疲劳裂纹扩展规律及寿命预测[D];华南理工大学;2010年
2 杨广雪;高速列车车轴旋转弯曲作用下微动疲劳损伤研究[D];北京交通大学;2011年
3 耿翊翔;非线性演化方程的精确解及其动力学行为研究[D];昆明理工大学;2008年
4 刘汉泽;基于李对称分析的偏微分方程精确解的研究[D];昆明理工大学;2009年
5 张红霞;AZ31B镁合金及其TIG焊焊接接头疲劳断裂行为及评定研究[D];太原理工大学;2010年
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9 周明哲;航空用2E12合金热处理工艺与疲劳行为的相关基础问题研究[D];中南大学;2010年
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1 李新蕾;金属磁记忆检测机理的试验研究与有限元仿真[D];南昌航空大学;2010年
2 曹俊伟;基于裂纹扩展理论的船体结构疲劳强度研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
3 冯观;船舶疲劳强度虚拟测试方法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
4 刘磊;基于非线性应力峰值自平衡的焊接结构热点应力法[D];大连理工大学;2010年
5 李卓帅;深水半潜平台全寿命期结构健康状态管理研究[D];大连理工大学;2010年
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7 胡敏;30Cr1Mo1V转子钢疲劳裂纹扩展数值模拟分析[D];长沙理工大学;2010年
8 张丽;输电线绝缘子金具的风振响应及疲劳特性分析[D];苏州大学;2010年
9 朱传锐;基于扩展有限元和水平集理论的裂纹扩展问题研究[D];河南理工大学;2010年
10 康杰;单颗粒脆性材料冲击破碎三维数值模拟[D];沈阳理工大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 张建宇,费斌军;以裂纹长度为参量的疲劳裂纹扩展随机模型[J];北京航空航天大学学报;1996年03期
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中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 张红霞;AZ31B镁合金及其TIG焊焊接接头疲劳断裂行为及评定研究[D];太原理工大学;2010年
2 陶勇寅;X80管线钢焊接工艺及可靠性研究[D];天津大学;2005年
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1 梁培阳;AZ31B镁合金焊接接头疲劳裂纹扩展机理研究[D];太原理工大学;2009年
【二级参考文献】
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2 王裕;硼化锆基超高温陶瓷材料的组织结构及热冲击性能研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
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4 李智军;三维复杂力学条件下核电关键构件环境致裂预测方法研究[D];西安科技大学;2012年
5 张天会;新型低碳贝氏体钢焊接接头疲劳裂纹扩展可靠性研究[D];昆明理工大学;2012年
6 折勇;直角域中圆形夹杂与裂纹反平面动力的相互作用[D];哈尔滨工程大学;2010年
7 郭宝科;移动载荷作用下层状介质中裂纹的动态响应问题研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
8 郭宝科;移动载荷作用下层状介质中裂纹的动态响应问题研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
9 闫明;蠕变—热疲劳可靠寿命预测的若干问题研究[D];东北大学;2008年
10 岳中文;缺陷介质爆生裂纹扩展规律的动态焦散线试验研究[D];中国矿业大学(北京);2009年
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1 梅继法;纳米尺度黏着接触和裂纹扩展的准连续介质方法研究[D];复旦大学;2010年
2 牛海燕;裂隙岩体锚固效应数值模拟研究[D];山东大学;2010年
3 杨达;基于ANSYS分析的加氢反应器裂纹扩展研究[D];东北石油大学;2010年
4 莫涛;SUS304不锈钢裂纹尖端的室温蠕变现象及其对疲劳裂纹扩展行为的影响[D];大连理工大学;2005年
5 徐杰;表面疲劳裂纹扩展的数值模拟[D];浙江理工大学;2012年
6 杨劲松;裂纹尖端应力应变场的数值模拟及分析[D];大连理工大学;2012年
7 王欢欢;飞机结构多部位损伤研究[D];南京航空航天大学;2012年
8 滕项铭;裂纹尖端疲劳塑性区研究[D];上海交通大学;2011年
9 籍龙波;显微组织与微量氢对钛合金电子束焊接接头疲劳特性的影响[D];华中科技大学;2011年
10 曾庆飞;高速钢轨疲劳裂纹扩展行为研究[D];西南交通大学;2012年
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