【摘 要】
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管结构以其轻巧美观、用料少、力学性能好的优点被广泛地应用在海洋平台、航站楼等钢结构建筑中。钢管结构长期处于风、设备振动等动荷载下,节点焊缝处的初始缺陷和几何突变造成的应力集中会促使疲劳裂纹的萌生与扩展,当疲劳损伤累积当一定程度时,会发生疲劳破坏。因此及时对钢管节点进行疲劳性能的评估,预测其疲劳破坏的寿命,具有重要的工程意义。本文基于连续介质损伤力学理论,依托于ABAQUS有限元仿真软件编写了UMA
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管结构以其轻巧美观、用料少、力学性能好的优点被广泛地应用在海洋平台、航站楼等钢结构建筑中。钢管结构长期处于风、设备振动等动荷载下,节点焊缝处的初始缺陷和几何突变造成的应力集中会促使疲劳裂纹的萌生与扩展,当疲劳损伤累积当一定程度时,会发生疲劳破坏。因此及时对钢管节点进行疲劳性能的评估,预测其疲劳破坏的寿命,具有重要的工程意义。本文基于连续介质损伤力学理论,依托于ABAQUS有限元仿真软件编写了UMAT子程序来进行T型相贯节点的疲劳性能研究。研究工作如下:(1)基于连续介质损伤力学理论以及不可逆热力学建立T型相贯节点的损伤演化模型,为基于ABAQUS有限元编写UMAT子程序提供理论依据。(2)基于切线刚度法、常刚度法分别编写了计算二维、三维构件的UMAT子程序算法,进行单调拉伸试验的数值模拟,并与ABAQUS自带算法进行比较。结果表明:切线刚度法、常刚度法都适用于材料单调拉伸情况下的计算,相对而言材料的非线性程度越大,切线刚度法的效果就越好,从而验证了UMAT子程序的有效性。(3)采用修改刚度法将损伤引入刚度矩阵,编写T型相贯节点计算疲劳损伤的UMAT子程序,探究T型相贯节点的疲劳损伤发展阶段,发现损伤是从相贯线鞍点开始逐渐向冠点缓慢发展,到达临界点后,损伤扩展速率加快,而冠点的损伤值保持较小的值。进一步的,发现在N/Nf(当前疲劳寿命/总疲劳寿命)为0.4附近时,若当前疲劳循环次数增加,损伤值会有一个迅速的提升。最后对高周疲劳裂纹损伤路径进行模拟,得到了跟试验相近的裂纹路径,表明了本文方法的有效性。(4)研究不同尺寸的相贯节点疲劳损伤演化规律,发现无量纲参数β和γ会影响损伤最大值的产生位置。通常支管直径小的(β和γ越大),疲劳损伤最大值出现位置可能越远离相贯线鞍点;在损伤演化过程中,当疲劳循环次数超过总疲劳寿命的40%时疲劳损伤值会迅速提升;无量纲参数越大,疲劳寿命越大,其中参数β和γ对疲劳寿命的影响较大;建立不同无量纲参数下,损伤演化速率与疲劳寿命的关系,结果表明参数β对损伤演化速率的影响最大。(5)研究不同材料常数对疲劳寿命以及疲劳损伤值的灵敏性分析,最终结果表明,三个参数的灵敏度按照m>n>M的顺序排列,说明参数m对计算结果的影响程度最大,因此在确定损伤演化方程时特别需要注意参数m的取值。
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