基于扩展有限元的T型圆钢管相贯节点高周疲劳裂纹扩展研究

作     者：秦天琦 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：丁北斗

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 081402[工学-结构工程] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：扩展有限元 T型圆钢管相贯节点 高周疲劳 裂纹扩展 二次开发 

摘      要：相贯节点由钢管焊接而成,由于焊接处几何连续性的改变以及焊接时的初始缺陷与残余应力,焊缝成为节点的薄弱位置,在高周疲劳荷载的作用下焊缝处会产生疲劳裂纹并随着荷载循环次数的增加不断累积扩展,最终在节点处发生脆性破坏,导致整体结构发生局部破坏,甚至引发连续性倒塌。为研究相贯节点高周疲劳裂纹扩展行为,建立了一种实现T型圆钢管相贯节点高周疲劳裂纹扩展数值模拟的方法,主要工作内容和成果如下:(1)基于扩展有限元法研究了基于扩展有限元的高周疲劳裂纹扩展程序,以板为对象,解决了板的疲劳裂纹扩展数值模拟。通过对含有静态斜裂纹和疲劳I型裂纹的二维壳体单元模型进行模拟,实现了裂纹扩展中应力强度因子的动态计算和线裂纹扩展路径的追踪。通过对含有疲劳I型贯穿裂纹和疲劳I型+II型混合裂纹的三维实体单元模型进行模拟,实现了应力强度因子的提取和贯穿裂纹扩展路径的追踪与更新。将模拟结果与解析值和试验对比,验证了模拟的有效性。(2)基于Abaqus二次开发技术开发了参数化建立T型圆钢管相贯节点数值模型的程序,该程序能够精确控制疲劳裂纹扩展区域的网格密度和网格质量,可以对空间曲率较大的焊缝进行精确建模。对所建模型进行数值模拟,将模拟所得的表面应力和试验对比,验证了采用此方法得到的相贯节点数值模型的准确性。(3)基于扩展有限元法开发了T型圆钢管相贯节点构件高周疲劳裂纹扩展程序,该程序解决了三维表面裂纹的追踪和更新,以及对裂纹投影模型网格的自动删除。将模拟结果与试验和既有规范CIDECT、API、DNVGL提供的S-N曲线对比。试验对比中,疲劳裂纹扩展速率、疲劳裂纹扩展路径、疲劳裂纹演化过程三个方面吻合度较高,疲劳寿命的误差为9.5%。规范对比中,模拟结果略高于规范曲线,与API最为接近。(4)从宏观角度出发,基于开发的T型圆钢管相贯节点高周疲劳裂纹扩展程序,研究几何参数对相贯节点高周疲劳行为的影响,发现无量纲几何参数的增大会降低相贯节点的疲劳寿命,但对裂纹扩展路径和相贯节点应力场分布规律的影响不显著。α值对含疲劳裂纹的相贯节点剩余承载力的影响不大,而β值和γ值的减小以及τ值的增大都会降低相贯节点的剩余承载力。(5)从微观角度出发,基于开发的T型圆钢管相贯节点高周疲劳裂纹扩展程序,研究不同初始裂纹尺寸对相贯节点高周疲劳行为的影响,发现裂纹尺寸的改变对裂纹前沿应力强度因子的分布规律的影响不大,但a/c的减小会增加相贯节点的疲劳寿命。