工程力学 ›› 2020, Vol. 37 ›› Issue (2): 230-240.doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.01.0088

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Q690D高强钢基于连续损伤模型的断裂破坏预测分析

黄学伟, 葛建舟, 赵军, 赵威, 赵奥博   

  1. 郑州大学力学与安全工程学院, 河南, 郑州 450001
  • 收稿日期:2019-03-07 修回日期:2019-07-08 出版日期:2020-02-25 发布日期:2020-01-19
  • 通讯作者: 赵军(1971-),男,河南人,教授,博士,博导,主要从事结构工程研究(E-mail:zhaoj_zzu@126.com). E-mail:zhaoj_zzu@126.com
  • 作者简介:黄学伟(1985-),男,安徽人,讲师,博士,主要从事钢结构疲劳断裂研究(E-mail:huangxw@zzu.edu.cn);葛建舟(1995-),男,河南人,硕士生,主要从事钢结构疲劳断裂研究(E-mail:gejianzhou@gs.zzu.edu.cn);赵威(1994-),男,河南人,硕士生,主要从事钢结构疲劳断裂研究(E-mail:zhaow@gs.zzu.edu.cn);赵奥博(1999-),男,河南人,本科生,专业为工程力学(E-mail:15238626045@163.com).
  • 基金资助:
    国家重点研发计划项目(2016YFE0125600);国家自然科学基金项目(51608487);河南省科技攻关项目(192102310221);河南省高等学校重点科研计划项目(17A130002)

FRACTURE PREDICTION ANALYSIS OF Q690D HIGH STRENGTH STEEL BASED ON CONTINUUM DAMAGE MODEL

HUANG Xue-wei, GE Jian-zhou, ZHAO Jun, ZHAO Wei, ZHAO Ao-bo   

  1. School of Mechanics and Safety Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou, He'nan 450001, China
  • Received:2019-03-07 Revised:2019-07-08 Online:2020-02-25 Published:2020-01-19

摘要: 高强钢材在实际钢结构中已经开始逐步得到应用,该文针对Q690D高强度结构钢材,进行了钢材圆棒试样在单调加载和超低周循环加载下的断裂破坏试验,研究了试样裂纹的起始位置,分析了加载制度对试样承载能力和变形能力的影响,并采用扫描电镜观察了试样断口的微观形貌,断口呈现韧窝形式的延性断裂特征。基于Q690D钢材缺口圆棒试样的单调拉伸试验结果,结合有限元分析,标定了钢材的连续损伤模型参数。最后,应用钢材的连续损伤模型,对圆棒试样和带初始间隙试样在不同加载制度下的断裂破坏进行预测分析,得到试样的裂纹起始位置、荷载-位移曲线、断裂位移和疲劳寿命均与试验结果吻合良好。

关键词: Q690D钢材, 连续损伤模型, 断裂预测, 超低周疲劳, 有限元分析

Abstract: High strength steel has been gradually applied in the steel structure constructions in recent years. Q690D high strength steel specimens were tested under monotonic loading and extremely low cyclic loading in the paper. The crack initiation locations of specimens were investigated and the effect of loading history on strength and deformation of notched specimens was analyzed. Scanning electron microscope revealed that the fracture morphology of specimens was a dimple pattern with the features of ductile fracture. Based on monotonic tensile test results of notched specimens and finite element analyses, the continuum damage model parameters of Q690D steel were calibrated. Finally, the continuum damage model was applied to predict fracture failure of notched coupon specimens and the specimens with initial gap under different loading conditions. It shows that the cracking location, load-displacement curves, fracture displacement and fatigue life obtained from the numerical simulation are in good agreement with the experimental results.

Key words: Q690D steel, continuum damage model, fracture prediction, extremely low cycle fatigue, finite element analysis

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[1] Ban H Y, Shi G, Shi Y J, et al. Research progress on the mechanical property of high strength structural steels[J]. Advanced Materials Research, 2011, 250/251/252/253:640-648.
[2] 李国强, 王彦博, 陈素文, 等. 高强度结构钢研究现状及其在抗震设防区应用问题[J]. 建筑结构学报, 2013, 34(1):1-13. Li Guoqiang, Wang Yanbo, Chen Suwen, et al. State-of-the-art on research of high strength structural steels and key issues of using high strength steels in seismic structures[J]. Journal of Building Structures, 2013, 34(1):1-13. (in Chinese)
[3] 廖芳芳, 王伟, 陈以一. 往复荷载下钢结构节点的超低周疲劳断裂预测[J]. 同济大学学报(自然科学版), 2014, 42(4):539-546. Liao Fangfang, Wang Wei, Chen Yiyi. Extremely low cycle fatigue fracture prediction of steel connections under cyclic loading[J]. Journal of Tongji Uinversity (Natural Science), 2014, 42(4):539-546. (in Chinese)
[4] Huang X W, Zhao J. A cumulative damage model for extremely low cycle fatigue cracking in steel structure[J]. Structural Engineering and Mechanics, 2017, 62(2):225-236.
[5] 王磊, 班慧勇, 石永久, 等. 基于微观断裂机理的高强钢框架梁柱节点抗震性能有限元分析[J]. 工程力学, 2018, 35(11):68-78 Wang Lei, Ban Huiyong, Shi Yongjiu, et al. Finite element analysis on aseismic behavior of high-strength steel beam-to-column connections in steel frame based on micromechanics of fracture[J]. Engineering Mechanics, 2018, 35(11):68-78. (in Chinese)
[6] Kanvinde A M, Deierlein G G. Cyclic void growth model to assess ductile fracture initiation in structural steels due to ultra low cycle fatigue[J]. Journal of Engineering Mechanics, 2007, 133(6):701-712.
[7] Tong L W, Huang X W, Zhou F, et al. Experimental and numerical investigations on extremely-low-cycle fatigue fracture behavior of steel welded joints[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2016, 119:98-112.
[8] 黄学伟, 张旭, 苗同臣. 建筑结构钢超低周疲劳断裂破坏的损伤预测模型[J]. 工程力学, 2017, 34(6):101-108. Huang Xuewei, Zhang Xu, Miao Tongchen. A damage prediction model for ultra low cycle fatigue failure of building structure steel[J]. Journal of Building Structures, 2017, 34(6):101-108. (in Chinese)
[9] Kanvinde A M, Deierlein G G. Void growth model and the stress modified critical strain model to predict ductile fracture in structural steels[J]. Journal of Structural Engineering, 2006, 132(12):1907-1918.
[10] Liao F F, Wang R Z, Tu L S, et al. Micromechanical fracture model parameter influencing factor study of structural steels and welding materials[J]. Construction and Building Materials, 2019, 215(10):898-917.
[11] 刘希月, 王元清, 石永久. 基于微观机理的高强度钢材及其焊缝断裂预测模型研究[J]. 建筑结构学报, 2016, 37(6):228-235. Liu Xiyue, Wang Yuanqing, Shi Yongjiu. Micromechanical fracture prediction model of high strength steel and its weld[J]. Journal of Building Structures, 2016, 37(6):228-235. (in Chinese)
[12] 陈博林. 基于微观损伤模型的Q460C钢材断裂行为研究[D]. 北京:北京交通大学, 2017. Chen Bolin. Fracture research of Q460C steel based on micromechanical damage models[D]. Beijing:Beijing Jiaotong University, 2017. (in Chinese)
[13] 刘希月. 基于微观机理的高强钢结构材料与节点的断裂性能研究[D]. 北京:清华大学, 2015. Liu Xiyue. Investigations on fracture behaviours of high strength steel materials and connections based on micromechanical models[D]. Beijing:Tsinghua University, 2015. (in Chinese)
[14] 施刚, 陈玉峰. 基于微观机理的Q460钢材角焊缝搭接接头延性断裂研究[J]. 工程力学, 2017, 34(4):13-21. Shi Gang, Chen Yufeng. Investigation on the ductile fracture behaviro of Q460 steel fillet welded joints based on micro-Mechanics[J]. Engineering Mechanics, 2017, 34(4):13-21. (in Chinese)
[15] Lemaitre J. A continuous damage mechanics model for ductile fracture[J]. Journal of Engineering Materials and Technology, 1985, 107(1):83-89.
[16] Bonora N. A nonlinear CDM model for ductile failure[J]. Engineering Fracture Mechanics, 1997, 58(1):11-28.
[17] Bao Y, Wierzbicki T. On the cut-off value of negative triaxiality for fracture[J]. Engineering Fracture Mechanics, 2005, 72(7):1049-1069.
[18] Chaboche J L. Anisotropic creep damage in the framework of continuum damage mechanics[J]. Nuclear Engineering and Design, 1984, 79(3):309-319.
[19] ABAQUS. Analysis user's manual I_V. Version 6.14[M]. USA:ABAQUS, Inc., Dassault Systèmes, 2014.
[20] 刘希月, 王元清, 石永久, 等. 高强度钢框架梁柱节点焊接构造的断裂性能试验研究[J]. 工程力学, 2018, 35(5):54-64. Liu Xiyue, Wang Yuanqing, Shi Yongjiu, et al. Experimental study on the weld fracture behavior of high strength steel beam-to-column connections[J]. Journal of Building Structures, 2018, 35(5):54-64. (in Chinese)
[1] 陈梦成, 方苇, 黄宏. 模拟酸雨腐蚀钢管混凝土构件静力性能研究[J]. 工程力学, 2020, 37(2): 34-43.
[2] 李达, 牟在根. 内嵌VV-SPSW平面钢框架结构抗震性能研究[J]. 工程力学, 2019, 36(S1): 210-216.
[3] 杨志坚, 韩嘉明, 雷岳强, 赵海龙, 胡嘉飞. 预应力混凝土管桩与承台连接节点抗震性能研究[J]. 工程力学, 2019, 36(S1): 248-254.
[4] 林德慧, 陈以一. 部分填充钢-混凝土组合柱整体稳定分析[J]. 工程力学, 2019, 36(S1): 71-77,85.
[5] 杨浩, 罗帅, 邢国然, 王伟. 杆梁组合结构的有限元分析[J]. 工程力学, 2019, 36(S1): 154-157,169.
[6] 田敏, 赵林, 焦双健, 葛耀君. 双曲壳结构非均匀风压作用局部稳定验算[J]. 工程力学, 2019, 36(9): 136-142,153.
[7] 王威, 刘格炜, 苏三庆, 张龙旭, 任英子, 王鑫. 波形钢板剪力墙及组合墙抗剪承载力研究[J]. 工程力学, 2019, 36(7): 197-206,226.
[8] 钱海峰, 赵婧同, 王元清, 王登峰. 考虑除尘器箱体墙板-立柱协同受力时立柱在横向荷载作用下的内力计算[J]. 工程力学, 2019, 36(7): 227-237,247.
[9] 牟犇, 王君昌, 崔瑶, 庞力艺, 松尾真太朗. 一种改进型方钢管柱与钢梁连接节点抗震性能研究[J]. 工程力学, 2019, 36(6): 164-174.
[10] 常笑, 杨璐, 王萌, 尹飞. 循环荷载下奥氏体型和双相型不锈钢材料本构关系研究[J]. 工程力学, 2019, 36(5): 137-147.
[11] 朱张峰, 郭正兴. 考虑竖向与水平接缝的工字形装配式混凝土剪力墙抗震性能试验研究[J]. 工程力学, 2019, 36(3): 139-148.
[12] 李政圜, 樊健生, 马晓伟, 聂鑫. 基于悬吊系统的钢-混凝土组合桥面系试验[J]. 工程力学, 2019, 36(12): 134-144.
[13] 贾连光, 郎玉霄, 毕然, 宋中琦, 刘勐. 设置横向加劲肋的正六边形孔蜂窝钢梁滞回性能研究[J]. 工程力学, 2019, 36(11): 168-182.
[14] 周云, 陈太平, 胡翔, 易伟建. 考虑周边结构约束影响的RC框架结构防连续倒塌性能研究[J]. 工程力学, 2019, 36(1): 216-226,237.
[15] 温科伟, 刘树亚, 杨红坡. 基于小应变硬化土模型的基坑开挖对下穿地铁隧道影响的三维数值模拟分析[J]. 工程力学, 2018, 35(S1): 80-87.
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[1] 邓明科, 李琦琦, 刘海勃, 景武斌. 高延性混凝土低矮剪力墙抗震性能试验研究及抗剪承载力计算[J]. 工程力学, 2020, 37(1): 63 -72 .
[2] 金浏, 王涛, 杜修力, 夏海. 钢筋混凝土悬臂梁剪切破坏及尺寸效应律研究[J]. 工程力学, 2020, 37(1): 53 -62 .
[3] 万志强, 陈建兵. 数据稀缺与更新条件下基于概率密度演化-测度变换的认知不确定性量化分析[J]. 工程力学, 2020, 37(1): 34 -42 .
[4] 金俊超, 佘成学, 尚朋阳. 基于Hoek-Brown准则的应变软化模型有限元数值实现研究[J]. 工程力学, 2020, 37(1): 43 -52 .
[5] 郑山锁, 荣先亮, 张艺欣, 董立国. 冻融损伤低矮RC剪力墙数值模拟方法[J]. 工程力学, 2020, 37(2): 70 -80 .
[6] 韩明君, 王伟兵, 李鸿瑞, 周朝逾, 马连生. 单圆弧波纹管膜片的非线性大变形分析[J]. 工程力学, 2020, 37(1): 26 -33 .
[7] 王元清, 顾浩洋, 廖小伟. 钢结构角焊缝低温抗剪疲劳性能的试验研究[J]. 工程力学, 2020, 37(1): 73 -79,134 .
[8] 李游, 李传习, 陈卓异, 贺君, 邓扬. 基于监测数据的钢箱梁U肋细节疲劳可靠性分析[J]. 工程力学, 2020, 37(2): 111 -123 .
[9] 朱宏平, 沈文爱, 雷鹰, 袁涌, 胡宇航, 张莹. 结构减隔震控制系统性能监测、评估与提升[J]. 工程力学, 2020, 37(1): 1 -16 .
[10] 袁驷, 孙浩涵. 二维自由振动问题的自适应有限元分析初探[J]. 工程力学, 2020, 37(1): 17 -25 .
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2018年11月15日