延性金属弹塑性损伤模型研究与应用

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根据在役钢结构工程事故,可以总结出,钢结构在长时间的使用中会遭受不同程度的内部损伤,损伤造成结构的抗力减小,发展到最终可能导致工程事故的发生,造成重大的人员伤亡和财产损失。由此可见材料的损伤对结构的破坏非常严重。本文以弹塑性、损伤理论为基础,推导出了延性金属的弹塑性损伤方程,利用有限元分析方法,对一榀钢框架进行了计算与分析。研究其在大应变下,损伤对钢材的影响。分析了钢框架在荷载作用下,何时产生损伤、损伤如何演化、产生损伤之后,材料的物理关系如何变化等问题。主要从以下三方面展开工作:1.通过对已有的弹塑性、材料非线性理论整理和分析,对于延性金属选择了一种合适的弹塑性硬化模型。在已有硬化模型的基础上,基于连续介质损伤力学理论,给出了延性金属弹塑性损伤演化模型建立的方法和损伤变量的选取原则,推导出了弹塑性损伤演化方程。2.采用J.Lemaitred(勒梅特)的应变等价原理,将选定的损伤演化方程和延性金属在无损状态下的材料本构关系进行耦合,给出延性金属弹塑性损伤模型。基于语言FORTRAN,遵循ABAQUS用户子程序UMAT的编写要求,将延性金属损伤模型的本构关系写进ABAQUS子程序中。3.本文定义的塑性损伤模型,具有“应力三轴比依赖”,此损伤模型具有两个特点:第一:损伤演化值的变化除了与等效塑性应变的变化有关系,还与静水压力有关。第二:损伤模型与静水压力、塑性应变耦合。4.以单个单元、多单元分别验证子程序计算的有效性,将结果和单向拉伸实验进行对比,验证子程序的合理性。建立钢框架有限元模型,对其进行静力加载,得到损伤对钢材性能的影响规律。从得到的结果可知,在不考虑损伤的情况下,即在真实应力-应变空间,钢材力学性能表现为:应力随着应变的增大一直增大,这明显不符合客观事实,因此,在对钢结构进行塑性阶段的分析时,必须考虑损伤对其的影响。损伤使得钢材应力-应变曲线历经弹性段、强化段、软化下降段。塑性变形的产生,会加速损伤的产生,在进行结构设计时,应该避免部分构件先进入塑性阶段,否则会使结构局部先破坏。将本文定义的损伤模型应用到钢材的全过程有限元分析中,可对工程设计提供一些参考。
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