一種評估鋼結(jié)構(gòu)厚板內(nèi)部損傷累積的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及材料損傷的評估方法，具體涉及一種評估鋼結(jié)構(gòu)厚板內(nèi)部損傷累積的 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鋼結(jié)構(gòu)厚板廣泛應(yīng)用于建筑工程、橋梁工程中，橋梁工程中應(yīng)用的鋼結(jié)構(gòu)的板厚 在一般在50mm左右，而建筑工程中采用的鋼板厚度則可達130_。較之于普通薄鋼板，由于 其鋼板的厚度增大，因此其乳制和加工工藝均與薄鋼板有所區(qū)別，而這樣的區(qū)別往往會導(dǎo) 致厚板內(nèi)部出現(xiàn)雜質(zhì)殘留，這種殘留甚至可能導(dǎo)致嚴重的中心偏析現(xiàn)象。
[0003]此外，以鋼結(jié)構(gòu)厚板為型材的構(gòu)件通常采用多層多道焊的焊接加工工藝，多層多 道焊的焊接很容易引起的溫度不均勻，從而導(dǎo)致材料的韌性明顯降低，且會伴隨產(chǎn)生復(fù)雜 的殘余應(yīng)力場，可能導(dǎo)致層狀撕裂和/或其他形式的斷裂破壞現(xiàn)象。
[0004] 鋼結(jié)構(gòu)厚板的斷裂破壞實質(zhì)上是損傷累積導(dǎo)致的結(jié)果，而損傷累積的發(fā)生往往是 因為材料內(nèi)部存在的如二相粒子形成微孔洞、微裂紋等微結(jié)構(gòu)在外力作用下孔洞逐漸長 大、孔洞間逐漸聚合，最終形成宏觀裂紋的過程。
[0005]目前對于鋼結(jié)構(gòu)損傷累積的評估方法主要包括從宏觀和細觀兩個角度的評估；其 中：
[0006]宏觀評估主要是從撓度、曲率等宏觀指標入手評估結(jié)構(gòu)損傷，由于影響整體結(jié)構(gòu) 損傷的因素眾多，包括材料、結(jié)構(gòu)形式、受力形式等，因此這種方法并不適合用于針對鋼結(jié) 構(gòu)厚板的損傷累積研究；
[0007]而微觀評估主要是從材料本構(gòu)關(guān)系入手，僅考慮材料內(nèi)部的損傷累積，通過建立 各類損傷模型以描述損傷累積，更適用于評估鋼結(jié)構(gòu)厚板材料內(nèi)部損傷的累積。但是現(xiàn)有 的通過損傷模型來評估損傷累積的缺陷在于，會將厚鋼板視為均勻材料，而對于厚鋼板而 言，其厚度大的結(jié)構(gòu)特性以及乳制、加工、焊接等工藝特性導(dǎo)致其沿著厚度方向各層的本構(gòu) 關(guān)系和損傷累積程度并不可以簡單地一概而論，因此目前的損傷模型往往難以準確評價厚 鋼板材料的損傷累積。
[0008]如何通過全面描述和評估厚板內(nèi)部損傷演化的過程，從而對鋼結(jié)構(gòu)厚板的損傷累 積程度加以準確評價，是領(lǐng)域內(nèi)亟待解決的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]有鑒于此，本發(fā)明提供一種評估鋼結(jié)構(gòu)厚板內(nèi)部損傷累積的方法，旨在為鋼結(jié)構(gòu) 厚板構(gòu)件的數(shù)值計算提供支持。
[0010] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案具體為：
[0011] -種評估鋼結(jié)構(gòu)厚板內(nèi)部損傷演化的方法，包括如下步驟：
[0012]S10:建立針對鋼結(jié)構(gòu)厚板的彈塑性損傷本構(gòu)模型，推導(dǎo)得出模型應(yīng)力分量的增量 形式；
[0013] S20 :針對增量形式，編制相應(yīng)的材料子程序；
[0014] S30:沿厚度方向?qū)︿摻Y(jié)構(gòu)厚板進行分層取材，確定出各層材料的彈塑性參數(shù)和損 傷參數(shù)；
[0015] S40:建立鋼結(jié)構(gòu)厚板的有限元模型，將編制的材料子程序引入到有限元分析之 中，對不同層的材料參數(shù)賦予不同的材料屬性；對有限元模型進行加載，模擬鋼結(jié)構(gòu)厚板在 外荷載作用下的損傷演化過程，從而對其進行相應(yīng)的評估。
[0016] 在上述評估鋼結(jié)構(gòu)厚板內(nèi)部損傷演化的方法中，所述步驟S10具體為：
[0017] 考慮材料內(nèi)部損傷累積的延性損傷模型的損傷演化的形式為：
[0018]
[0019]
[0020] 其中：
[0021] D為損傷的全量形式；
[0022] β為損傷的增量形式；
[0023] ερ為一維塑性應(yīng)變及三維累積塑性應(yīng)變；
[0024] εPD和PD為一維及三維情況下的塑性應(yīng)變損傷閥值；
[0025] E為初始彈性模量；
[0026] σ為當前的真實應(yīng)力；
[0027] S為損傷能量強度；
[0028] Rv= 2(1+υ)/3+3(1_2υ) (〇n/oeq)2為三軸函數(shù)；
[0029] υ為泊松比；
[0030] σeq為等效應(yīng)力；
[0031] 基于應(yīng)變等效假設(shè)，考慮損傷演化的混合強化屈服函數(shù)為：
[0032]
[0033] 根據(jù)正交流動法則，塑性應(yīng)變增量和累積塑性應(yīng)變分別為：
[0034]
[0035]
[0036] 其中，dλ為塑性因子：
[0039]
[0037]
(6);[0038] 各應(yīng)力分量的表達式：
[0040]
[0041 ]
[0042]其中：
[0043] &為四階彈性剛度矩陣；
[0044] Μ為混合強化系數(shù)，體現(xiàn)了等向強化和隨動強化的共同作用；
[0045]ΕΡ為塑性模量；
[0046]Ε為彈性模量；
[0047]Ετ為強化切線模量；
[0048] 將公式（4)、（5)、（7)、（8)、（9)代入式（6)，化簡即得到塑性因子以及塑性剛度矩 陣的表達式：
[0055] 之后可進一步得到損傷演化方程的增量形式：
[0056] \ y
[0057] 由增量迭代計算即可得到損傷全量，評估出鋼結(jié)構(gòu)厚板內(nèi)部的損傷積累水平；
[0058] 用彈塑性參數(shù)h，k2, . . .，kn來描述材料的強化過程，S卩：當前的真實應(yīng)力〇通過 式（16)獲得；
[0059] 其中：σ=fQ^，k2, · · ·，kn) (16)。
[0060] 在上述評估鋼結(jié)構(gòu)厚板內(nèi)部損傷演化的方法中，所述步驟S20具體為：
[0061] 首先，根據(jù)有限元軟件提供的應(yīng)變增量△ε計算預(yù)測步的更新應(yīng)力，判斷材料的 預(yù)測步處于彈性階段還是塑性階段，基于預(yù)測步的彈塑性狀態(tài)更新應(yīng)力及Jacobian矩陣： 若：
[0062] 預(yù)測步的狀態(tài)處于彈性階段，則直接采用更新的應(yīng)力及Jacobian矩陣，其他狀態(tài) 變量保持不變，返回ABAQUS主程序；
[0063] 預(yù)測步的狀態(tài)處于塑性階段，進一步通過判斷當前步的狀態(tài)是否已處于塑性階段 來確定塑性應(yīng)變；若：
[0064] 當前步處于塑性階段，則應(yīng)變增量Δε即為塑性應(yīng)變；
[0065] 當前步處于彈性階段，則應(yīng)變增量△ε中扣除彈性應(yīng)變￡6后為塑性應(yīng)變；
[0066] 根據(jù)公式（4)~（14)更新應(yīng)力分量；
[0067] 進一步判斷更新的塑性應(yīng)變ερ是否大于塑性應(yīng)變損傷閥值PD:
[0068] 若ep>PD，則根據(jù)公式（15)更新?lián)p傷值D，然后判別當前損傷值D是否大于損傷 臨界值D。;若否，則直接進入判別當前損傷值D是否大于損傷臨界值D。的步驟；若D>D。， 則令損傷停止增長，即D=D。后繼續(xù)子增量循環(huán)計算，若否則直接進行子增量循環(huán)計算，根 據(jù)公式（4)~（14)更新應(yīng)力分量；直至子增量循環(huán)結(jié)束后，存儲應(yīng)力分量、各狀態(tài)變量及 Jacobian矩陣，返回ABAQUS主程序。
[0069] 在上述評估鋼結(jié)構(gòu)厚板內(nèi)部損傷演化的方法中，所述步驟S30具體為：
[0070] 對鋼結(jié)構(gòu)厚板沿厚度方向進行分層，對各分層進行取材，分別對其進行標準拉伸 試驗和重復(fù)拉伸試驗，識別材料參數(shù)，包括彈塑性參數(shù)和損傷參數(shù)；其中：
[0071] 通過公式（16)擬合標準拉伸試驗的真實應(yīng)力-真實應(yīng)變曲線，獲取彈塑性參數(shù)；
[0072] 損傷參數(shù)包括塑性應(yīng)變損傷閥值εPD和損傷能量強度S，獲取方法具體為：
[0073] a)在重復(fù)拉伸試驗中，利用試驗機的編程功能，對試件進行重復(fù)加載卸載，得到名 義應(yīng)力-名義應(yīng)變關(guān)系圖；其中：
[0074] 名義應(yīng)變?yōu)樵囼炛械睦煳灰婆c試件原始標距之比；
[0075] 名義應(yīng)力為試驗加載力與試件初始面積之比；
[0076] 當名義應(yīng)力達到最大時，其值即為試件的抗拉強度σu，抗拉強度σu對應(yīng)的塑性 應(yīng)變即為塑性應(yīng)變損傷閥值ePD;
[0077] b)重復(fù)拉伸試驗各卸載過程的斜率即為卸載彈性模量云，通過數(shù)據(jù)分析可得 到不同應(yīng)變點處的I，根據(jù)卸載彈性模量f各初始的彈性模量Ε，得出材料試件的損傷值
根據(jù)繪制出的試驗過程中損傷值D隨塑性應(yīng)變的演化圖，得出不同點處的
根據(jù)公式（1)逆推得到變形式（17);
(17)；
[0078]
[0079] 根據(jù)該點處應(yīng)力σ i、損傷Di以及f計算得到各點的損傷能量強度Si，進而計算 '^Ρ· 其平均值即可得到鋼結(jié)構(gòu)厚板的損傷能量強度S。
[0080] 在上述評估鋼結(jié)構(gòu)厚板內(nèi)部損傷演化的方法中，所述步驟S40具體為：
[0081] 在有限元軟件ABAQUS中建立鋼結(jié)構(gòu)厚板模型，沿厚度方向分為層，將編制好的材 料子程序引入鋼結(jié)構(gòu)厚板模型中，根據(jù)S20中確定的各層材料參數(shù)，給相應(yīng)層賦予不同屬 性，對模型施加外部荷載，在ABAQUS軟件內(nèi)部運行計算，模型中的每個單元對應(yīng)一個積分 點，通過計算之后可求得各積分點的損傷值。
[0082] 在上述評估鋼結(jié)構(gòu)厚板內(nèi)部損傷演化的方法中，在步驟S20中，為提高計算精度， 采用子增量循環(huán)法將塑性應(yīng)變分割為η份，每計算一個子增量步即更新一次應(yīng)力。
[0083] 在上述評