基于GTN模型的低碳钢母材及焊接接头断裂性能评估

作     者：卓子超 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王江超

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0824[工学-船舶与海洋工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 

主      题：GTN模型 低碳钢 单向拉伸试验 应力-应变曲线 焊接接头断裂性能 

摘      要：船舶及海洋平台主要采用焊接方法建造而成,在实际工况及环境载荷作用下,焊接接头的力学性能及其断裂强度,会直接影响船舶及海洋平台整体结构的强度和寿命。工程中为了评估焊接接头的断裂性能,可通过单向拉伸试验获得其应力-应变曲线。但制作拉伸试样属于破坏性方法,且费时费力;通过数值模拟的方法,评估焊接接头的断裂性能是目前较为先进的方法,其计算效率高,通过调整参数可以获得满足精度要求的结果,具有显著的工程应用价值。首先通过单向拉伸试验获得不同强度级别低碳钢母材的工程应力-应变曲线;依照船厂焊接规范制作符合要求的低碳钢对接接头,并制作拉伸试样获得其应力-应变曲线来评估其断裂性能。试验结果显示焊接接头的断裂韧性相较于母材略微降低,同时塑性硬化性能也发生了变化。基于GTN损伤模型,通过编写C++程序完成低碳钢拉伸断裂过程的数值模拟分析;结合粒子群优化算法求解材料的GTN模型最优参数,应用线性递减的惯性权重和异步学习因子提升了算法收敛的稳定性。相较于穷举法大幅度提升了程序的计算效率,在较短的计算时间内获得了各强度低碳钢母材的最优GTN模型参数,对应的数值模拟应力-应变曲线与拉伸试验测量曲线高度吻合。针对满足焊接规范的低碳钢对接焊接接头,考虑焊接过程对材料内部微观缺陷的影响以及焊接残余应力对材料塑性硬化过程的影响,提出通过修正GTN损伤模型中的初始空穴体积分数f和材料的幂函数塑性硬化参数,来预测焊接接头的应力-应变曲线,评估其断裂性能。修正参数后的GTN模型数值模拟结果与拉伸试验获得的应力-应变曲线吻合较好。基于本研究中三种不同强度级别低碳钢的试验结果及数值模拟结果,提出了修正焊接接头GTN模型参数的经验公式。在上述研究基础上,预测了某高强韧钢在等强匹配条件下的焊接接头断裂性能。