基于材料损伤的断裂方法及在相贯节点断裂分析中的应用

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相贯节点具有构造简单和力学性能良好等优点,在空间结构中得到广泛的应用。断裂是相贯节点的一种常见的破坏模式,节点的断裂易导致结构坍塌事件,因此有必要对相贯节点的断裂行为进行准确地预测。但是现有断裂预测方法存在难以预测裂纹扩展过程、较少考虑材料损伤和对网格精度要求过高等缺点,使得在有限元分析中很难合理预测节点的断裂过程和承载力极限状态。本文从微观断裂机制出发,建立了基于DCLC公式的连续损伤力学模型(D-DCLC模型),通过理论和有限元分析的方法证明了该方法预测裂纹扩展的准确性,并验证了DDCLC模型和基于VGM的连续损伤力学模型在相贯节点断裂分析中的适用性。本文具体内容如下:(1)概述了适用于单调荷载作用下的空穴扩张模型(VGM)和基于VGM的连续损伤力学模型以及适用于超低周疲劳荷载作用下的循环空穴扩张模型(CVGM)和DCLC公式的基本原理和应用方法。(2)应用基于VGM的连续损伤力学模型,对单调荷载作用下的T型相贯节点进行了裂纹扩展预测,得到的节点荷载-位移曲线与已有试验结果吻合良好,验证了该模型在单调荷载作用下的相贯节点断裂分析中的适用性。(3)对DCLC公式进行改进,并通过理论分析,考虑裂纹扩展产生的损伤对单元力学性能的折减,建立了基于DCLC公式的连续损伤力学模型(D-DCLC模型)。以DCLC公式和D-DCLC模型为判据,编写了ABAQUS有限元软件的VUMAT子程序,可以通过删除失效单元实现对裂纹扩展的模拟。(4)应用DCLC公式和D-DCLC模型,对超低周疲劳荷载作用下的单边缺口构件进行了裂纹扩展预测,得到的断裂过程与CVGM预测结果吻合良好,验证了D-DCLC模型预测超低周疲劳荷载作用下的裂纹扩展的准确性。(5)应用CVGM、DCLC公式和D-DCLC模型,对超低周疲劳荷载作用下的N型相贯节点进行了裂纹扩展预测,得到的节点承载力极限状态与已有试验结果较为接近,验证了D-DCLC模型在超低周疲劳荷载作用下的相贯节点断裂分析中的适用性。本文中建立和验证的D-DCLC模型,对于超低周疲劳荷载作用下的相贯节点的断裂分析具有较大的应用价值。
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