基于裂纹扩展阻力曲线的钢结构构件断裂行为评估模型

为准确预测钢结构构件的断裂破坏,提出了基于裂纹扩展阻力曲线的评估方法。基于前期开展的低温下结构钢材的裂纹尖端张开位移(CTOD)试验结果,采用试验数据回归和理论分析方法,对裂纹扩展阻力曲线的参数进行标定,并分析裂纹扩展阻力曲线形式与含裂纹钢构件断裂模式的关系。结果表明:当构件初始裂纹长度大于临界值且钢材裂纹扩展阻力曲线呈上凸形时,构件发生韧性断裂;当构件初始裂纹长度小于临界值且阻力曲线呈上凸形时,或当阻力曲线呈水平直线时,构件发生脆性断裂。本文理论模型计算的最大载荷点裂纹扩展量与试验实测值吻合较好,验证了理论分析的准确性,可应用于钢结构构件的防断设计。     

铁路桥梁钢及焊缝的CTOD性能

为了解铁路钢桥构件材料的弹塑性断裂韧性性能,对常用桥梁钢——Q370qE和Q345qD钢的各种板厚的母材、焊缝和熔合线试样进行了20℃至-70℃的直三点弯曲裂纹尖端张开位移(CTOD)试验。数据分析采用"个性化因素剔除"方法,回归得到随温度变化的CTOD临界值δ的通用计算公式。结果表明:δ在材料、温度、板厚不同的情况下,应分别取脆断、韧脆破坏和韧性破坏时的CTOD值;Q370qE钢母材在高于-70℃的环境温度下不会发生脆断,Q345qD钢母材的转脆温度为-42℃;两种钢材焊缝的CTOD性能相近,转脆温度为-24℃;CTOD性能可作为修订常规冲击韧性标准的依据。     

结构钢材裂纹尖端张开位移的低温试验

目前对结构钢材低温脆性断裂的控制主要通过冲击韧性指标,难于获得定量的结果,因此,有必要对结构钢材的断裂指标进行低温测定。试验测定了结构钢材Q235A、Q345B和Q390E(屈服强度标准值分别为235MPa、345MPa和390MPa)在20～-70℃下12～48mm试样的裂纹尖端张开位移指标(CTOD),并分析了最大载荷CTOD特征值δm随温度和厚度的变化规律。结果表明,总的趋势是δm随着温度的降低而下降,其规律可以比较好的用Boltzmann函数描述;厚度增大,δm的总趋势降低,但在厚度12～24mm范围附近也会出现δm随厚度增加而上升的现象。     

裂纹和V形切口钢构件裂纹扩展仿真分析

文章通过设计的夹具以特定的加载方式对含裂纹和缺口钢板构件进行了拉伸试验,获得两种试件的裂纹扩展数据。采用扩展有限元法及ABAQUS软件对裂纹和缺口试件进行力学建模,数值分析其裂纹扩展规律,并同试验数据相比较。研究结果为钢结构实际应用提供有效参数。     

基于有限元的无保护层钢结构柱抗火分析

采用大型有限元软件M SC.M ARC.M en tat,对具有轴向约束且无保护层的钢结构柱进行了非线性有限元分析,研究了不同轴向约束对钢结构柱抗火能力的影响,给出了典型约束钢结构柱的有限元网格划分和受压后的变形图,以及不同温度、不同约束刚度情况下的荷载-位移曲线,有限元数值模拟结果与试验进行对比,吻合较好.研究表明:室温下,轴向约束有利于提高柱子的极限承载能力,但在高温情况下,约束刚度的大小对柱子的抗火承载力却具有负面影响,轴向约束的提高降低了高温下柱子的极限承载力,并降低了柱子的极限温度承载力;在温度达到450℃之前,由于钢材的弹性模量改变与构件热膨胀而导致承载力的降低,温度超过450℃之后,弹性模量与屈服极限的折减,以及构件热膨胀所导致的约束反力共同作用使得构件更早失效.     

用CTOD描述高应变区疲劳裂纹扩展速率

本文针对压力容器接管部位高应变区的特点,试用一种双面开键形槽的三点弯曲试件模拟其特征,其中以弹塑性断裂参量CTOD(δ)作为控制该区内裂纹疲劳扩展的主要参量,并采用双引伸计法动态测量CTOD.试验结果表明:在循环载荷作用下,高应变区在亚临界裂纹扩展范围内,疲劳裂纹扩展速率(da)/(dN)在双对数坐标上与裂纹尖端的张开位移△CTOD(△δ)呈线性关系:△CTOD可以作为控制高应变区应力循环和应变循环条件下,疲劳裂纹扩展速率的力学参量,且与(da)/(dN)呈Paris定律的形式.     

960MPa高强度钢材轴压柱局部稳定性能及设计方法

为研究960 MPa(屈服强度标准值)高强度钢材轴心受压构件的局部稳定受力性能,本文使用ANSYS软件建立有限元模型,对4个箱形截面和4个工字形截面轴心受压构件进行了有限元分析.模型考虑了几何初始缺陷及焊接残余应力的影响,提取构件的极限承载力和局部屈曲临界承载力的有限元计算结果与试验实测结果进行对比,验证了模型的有效性.利用这种建模方法,对960 MPa高强度钢材箱形和工字形轴心受压构件的局部稳定受力性能进行了有限元参数分析,并将有限元计算结果,以及本文汇总的已有试验结果,与中国、美国和欧洲的钢结构设计规范中轴心受压构件的设计曲线进行了对比,并提出了新的设计公式.结果表明,本文使用的有限元建模方法能够准确地分析计算960 MPa高强度钢材轴心受压构件的局部屈曲受力性能;几何初始缺陷和残余应力对构件的极限应力的影响很小,但是对板件宽厚比较大构件的局部屈曲应力的影响相对较大;相对于中美欧现行钢结构设计规范中的设计方法,本文提出的设计公式更适用于960 MPa高强度钢材轴心受压构件的局部屈曲应力和屈曲后极限应力的设计计算.     

渤海石油平台用钢A537疲劳裂纹的扩展特征

对渤海石油平台管节点用钢A537在238K,237K和303K三个温度下的疲劳裂纹扩展情况进行了试验研究.试验结果表明.这种钢材在每一个测试温度下的疲劳裂纹扩展均遵循Paris规律.不同温度下的疲劳裂纹扩展曲线随应力强度因子幅值的增加而有汇合趋势,并在某一高扩展速率处相交.试验还表明,温度降低,A537钢的裂纹扩展速率下降,而Paris指数n则大为增加.在裂纹扩展后期,低温下裂纹扩展速率的增长速度远大于室温,因此,低温时的扩展速率反而高于室温时的扩展速率.     

波纹腹板H型钢梁抗剪承载力

建立波纹腹板H型钢梁的受力模型,按照板的稳定理论分别给出了波纹腹板局部屈曲和整体屈曲的抗剪承载力理论公式,并设计4根构件进行了试验及有限元数值模拟分析,研究了不同的波纹尺寸、腹板厚度等因素对构件承载力的影响.试验结果表明:若波纹尺寸设计得当,腹板剪切强度可以达到甚至超过钢材的剪切屈服强度,而有限元方法能够有效预测构件承载力和破坏模式.最后结合理论分析和试验研究提出了波纹腹板H型钢的设计建议.     

现行规范对高强复杂加劲冷弯构件力学性能适用性研究

目的研究《冷弯薄壁型钢结构技术规范》(GB50018-2002)对G550级高强复杂加劲冷弯薄壁钢材的适用性,提出计算其承载力的修正系数.方法对17根壁厚均为1.1 mm的G550高强钢材进行试验和理论计算,分析高强新型冷弯箱型组合截面受弯构件力学性能.结果无论试验受弯极限承载力或是理论受弯极限承载力,DS1型截面构件均比DS2型截面构件提高近20%;试件的合理高宽比为2~4;对于DS1型截面构件建议不折减,对于DS2型截面构件建议采用0.8的折减系数.结论现行《冷弯薄壁型钢结构技术规范》(GB50018-2002)对G550级高强复杂加劲构件基本适用,对于新型高强冷弯薄壁型钢梁的受弯极限承载力一般情况下要大于规范给出的理论受弯极限承载力.不同的截面构件所适合的折减系数不同,工程设计可根据构件截面的情况决定是否折减.     

三点弯曲单试样测定高强高韧钢断裂韧度JIC的柔度方法

针对金属材料延性断裂韧度ＪＩＣ测试中存在的测试手续繁杂，消耗材料多等问题，根据试样在加载过程中裂纹扩展，柔度增加的原理，导出新的Ｊ积分与柔度Ｃ的关系，通过加载卸载法计算出柔度Ｃｉ，     

用于延性断裂韧性测试的载荷分离方法与应用

使用载荷分离理论的延性断裂韧性单试样方法,选取汽轮机转子钢Cr2Ni2MoV对规则化法和SPb分离参数法进行了研究.结果表明,在规则化法中,钝化修正时的钝化线方程仅对裂纹扩展较小时的J阻力曲线产生影响.提出了改进SPb分离参数法,消除了参考钝裂纹试样的影响;同时采用钝化修正后的初始裂纹长度和试验终止裂纹长度进行标定,可获得合理的裂纹长度预测结果.由改进SPb分离参数法得到J阻力曲线在较小裂纹扩展范围内均略高于由规则化法得到的J阻力曲线,而当裂纹产生扩展较大时,两种方法得到的J阻力曲线几乎完全重合;由规则化法得到的条件启裂J积分JQ值偏于保守.     

基于局部法由示波冲击试验对断裂韧性的预测

研究了基于局部法由冲击试验对三点弯曲试样断裂韧性的预测。通过对X65管线钢韧脆转变温度下的示坡冲击及三点弯曲试验，得到示波冲击试验每个试样的能量-时间、载荷-时间、载荷点位移一时间的关系曲线和三点弯曲试验每个试样的断裂韧性值。利用有限元方法分析了示波冲击及三点弯曲试样裂纹尖端的应力场，通过自编程序求出示波冲击试样和三点弯曲试样的材料局部断裂参量，验证了临界成布尔应力符合局部法理论中的双参数成布尔分布，且证明了对本研究的两类试样，临界成布尔应力与试样尺寸和加载形式无关。基于局部法在脆性断裂条件下成功地实现了由示波冲击结果来预测三点弯曲试样的断裂韧性，不仅验证了局部法理论对X65管线钢的适用性，而且证明基于局部法可以通过冲击吸收功来预测和评价材料的断裂韧性。     

Effects of precipitates and inclusions on the fracture toughness of hot rolling X70 pipeline steel plates

In order to investigate the fracture toughness, crack tip opening displacement (CTOD) experiments were conducted on two X70 pipeline steel plates with different rolling processes. After the experiments, optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM) were employed to observe the microstructure and fracture morphology. The effects of precipitates on the fracture toughness and the crack initiation mechanism induced by inclusions were analyzed. The CTOD result shows that the steel with a lower finishing cooling temperature has a higher fracture toughness. Inclusions with different shapes and two kinds of precipitates with different sizes were observed. It can be concluded that precipitates with different sizes have different effects and mechanisms on the fracture toughness. Distinguished from the earlier researches, inclusions enriched in silicon can be also served as the crack initiation.     

用短棒试件测定岩石的动静态断裂韧度

采用自行设计的加载压头和粘接在V形切口短棒岩石断裂韧度试件上的2个半圆形钢片,实现了通过压头施加压缩载荷从而使裂纹尖端承受拉仲载荷的目的。用这种方法可测定岩石的断裂韧度。特别是可以在分离式霍布金生压杆装置上较方便地测定应力波加载时岩石的动态断裂韧度。研究了加载率对岩石断裂韧度等材料性能的影响,并给出大理岩动静态断裂韧度的测定结果。     

12Ni3CrMoV钢焊接热影响区的断裂特征

本文采用裂纹张开位移(COD)试验方法,对60公斤级高强钢(12Ni3CrMoV)的热模拟试样,单道焊和多道焊实焊试样,热影响区的断裂韧性和裂纹扩展阻力进行了详细的研究.研究表明,在12Ni3CrMoV钢的焊接热影响区中存在着粗晶区脆化和不完全相变区脆化.粗大的马氏体和焊接过程产生的粒状贝氏体是脆化的内在原因.热模拟试样能够反映热影响区中各种组织的相对韧性次序.在模拟粗晶区中,晶粒度的大小是影响裂纹扩展阻力的主要因素.热模拟粗晶区的断裂韧性最差,而多道焊粗晶区具有较好的韧性,这是因为多道焊的粗晶区中马氏体经过多次热循环回火所致.焊接热模拟试样能够反映热影响区中对应组织的韧性,但利用热模拟试样难以评定实际焊接接头中热影响区的裂纹扩展阻力.     

不同替代率石墨尾矿砂混凝土断裂试验

石墨尾矿砂是石墨生产过程中的副产品,堆积过多不仅占用土地资源而且污染环境。为了解决传统混凝土中细骨料砂的替代问题,本文探究不同替代率的石墨尾矿砂混凝土在不同加载速率作用下的断裂性能变化规律。通过不同替代率、不同加载速率下的三点弯曲断裂试验,研究其对尾矿砂混凝土断裂性能的影响,分析其破坏形态、断裂韧度和断裂能。研究结果表明：随着加载速率的提高,石墨尾矿砂混凝土的断裂韧度和断裂能呈上升趋势,加载速率越大、断裂韧度和断裂能越大;石墨尾矿砂的掺入有利于提高混凝土的断裂性能和延性,在石墨尾矿砂替代率为0%~30%的范围内,替代率越高,裂纹延伸速度越缓慢,产生的裂纹宽度越小且断裂韧度及断裂能提升效果越为显著。     

受内压和激光辐照联合作用下圆柱壳动态断裂力学分析

针对激光辐照充压圆柱壳的应力分析和结构失效问题,研究了含轴向半椭圆表面裂纹的圆柱壳体在激光辐射及不同内压和不同裂纹尺寸的情况下,考虑了内压为静态和动态两种情形以及热-力耦合情形的应力分析,材料为30CrMnSiA钢。根据它的静态断裂韧性KIC以及根据估算的冲击动态断裂韧性KId,应用有限元方法研究了动态载荷下其断裂问题。分别使用断裂判据KI=KIC和动态断裂判据KI(t)=KId,对裂纹的静态起始扩展和动态起始扩展作了相应的分析,这些分析在一定程度上对此种结构在热-力耦合下失效机理提供了有益的研究。     

温度对岩石类材料断裂性能的影响研究

根据CCCD-SHPB测试原理,利用平台巴西圆盘研究温度对岩石类材料断裂性能的影响,实验过程中通过控制加载脉冲,使得测试试件的加载速率基本一致,仅改变试件测试的环境温度.根据中心裂纹圆盘试件断裂韧性测试方法,在SHPB装置上完成岩石类材料的动态断裂韧度随温度变化的测试,获得了不同温度下中心裂纹巴西圆盘岩石试件的动态断裂韧度.     

X65管线钢的动态断裂行为研究

采用热激活方法研究了X65管线钢的动态断裂韧性以及温度效应,研究结果表明：该材料的断裂韧性随加载速率提高而降低,存在由加载速率引起的韧脆转化,升高温度将使这一转化向高速区移动,通过热激活分析,获得了断裂激活能以及与温充和加载速率相关的定量化关系,该关系可以预测一定温度和速率范围的断裂韧性,同时在固定的速率下,该关系较好地预测了止裂韧性与温度的关系,从而为用小试样测试止裂韧性指出了可能性。