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钢结构角焊缝抗剪疲劳性能的试验研究

工程力学 2018年第4期35卷 61-68页

作者：王元清顾浩洋廖小伟土木工程安全与耐久教育部重点实验室清华大学土木工程系北京100084

国内外学者对钢结构的焊缝连接在名义正应力荷载条件下的疲劳性能进行了广泛的研究,但是所见文献中对焊缝在名义剪切应力下的疲劳性能研究较少。为此,以Q345B钢材制作了原状处理的侧面和正面角焊缝连接的2组板材试件,采用高频疲劳试验... 详细信息

国内外学者对钢结构的焊缝连接在名义正应力荷载条件下的疲劳性能进行了广泛的研究,但是所见文献中对焊缝在名义剪切应力下的疲劳性能研究较少。为此,以Q345B钢材制作了原状处理的侧面和正面角焊缝连接的2组板材试件,采用高频疲劳试验机进行常温剪切疲劳试验,并进行数据拟合。试验结果发现:该文试验中的2类焊接试件的疲劳试验结果具有非常大的离散性。由中国钢结构规范GB 50017—2017得到的200万次下的疲劳强度值比侧面角焊缝试验拟合曲线计算得到的值小,两者曲线吻合较好;正面角焊缝试验所得疲劳强度高于各国规范;正面角焊缝接头抗剪切疲劳强度高于侧面角焊缝接头;正面角焊缝疲劳破坏形式为贯通焊缝裂纹,侧面角焊缝为焊趾向热影响区延伸裂纹。研究结果表明:现有中国规范评价侧面和正面角焊缝剪切性能都偏于安全,但是使用规范推荐的曲线评估侧面角焊缝剪切疲劳性能较为合适。

关键词：钢结构抗剪疲劳角焊缝 S-N曲线规范对比

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金属材料疲劳小裂纹扩展行为研究

金属材料疲劳小裂纹扩展行为研究

作者：顾浩洋江苏科技大学

学位级别：硕士

船舶与海洋结构物长期服役于恶劣环境的工况,承受风、波浪、海流等多种载荷的作用。在众多载荷破坏形式中,疲劳破坏是船舶与海洋结构物主要的破坏形式之一。在实际工程中,很多构件的疲劳断裂并不是从预期的长裂纹缺陷开始的,而是从小裂... 详细信息

船舶与海洋结构物长期服役于恶劣环境的工况,承受风、波浪、海流等多种载荷的作用。在众多载荷破坏形式中,疲劳破坏是船舶与海洋结构物主要的破坏形式之一。在实际工程中,很多构件的疲劳断裂并不是从预期的长裂纹缺陷开始的,而是从小裂纹扩展行为就已经开始。大量研究表明,金属材料的疲劳小裂纹扩展行为与长裂纹扩展行为之间存在很大的差异。为此,本文开展了金属材料疲劳小裂纹扩展行为预报研究,从而为工程应用提供一种有效的考虑小裂纹效应的疲劳裂纹扩展速率及全寿命预报模型。本文基于疲劳裂纹扩展理论,对金属材料疲劳小裂纹扩展行为展开了研究,为工程应用提供一种有效的考虑小裂纹效应的疲劳裂纹扩展速率及全寿命预报模型。首先,本文针对现有的金属材料疲劳小裂纹扩展行为研究进行了总结与分析,重点研究了小裂纹理论及现有小裂纹扩展预报模型;其次,对疲劳小裂纹尖端塑性区域及小裂纹门槛值进行了修正,提出了金属材料疲劳裂纹扩展预报修正模型,研究了其在小裂纹门槛值预报及对小裂纹Kitagawa效应解释等方面的应用;同时,还分析了金属材料疲劳裂纹扩展预报模型中各参数的灵敏;此外,本文还利用所提模型对钛合金、铝合金等材料的疲劳小裂纹扩展速率、长裂纹扩展速率、疲劳全寿命进行了预报;最后,本文还进行了钛合金Ti-6Al-4V材料的平面应变断裂韧性ICK的测定和钛合金Ti-6Al-4V材料的疲劳寿命试验研究。验证了本文所提金属材料疲劳小裂纹扩展预报模型的适用性,为工程应用提供一种有效的考虑小裂纹效应的疲劳裂纹扩展速率及全寿命预报方法。本文具体工作如下:(1)金属材料疲劳小裂纹理论研究。对金属材料疲劳小裂纹效应的概念、特点及产生原因进行了总结;针对McEvily模型、疲劳裂纹扩展统一预报模型及Chapetti模型进行重点研究,为后续修正模型的提出奠定理论基础。(2)疲劳裂纹扩展行为统一预报修正模型研究。在金属材料小裂纹扩展特性研究的基础上,对金属材料小裂纹尖端塑性区域尺寸进行了修正;研究了小裂纹的裂纹闭合原理并在EI Haddad模型的基础上对金属材料小裂纹门槛值进行修正;提出金属材料疲劳裂纹扩展预报修正模型,并研究了其在金属材料小裂纹预报及Kitagawa效应解释方面的应用,同时对修正模型中的参数灵敏度进行了分析。(3)典型金属材料疲劳裂纹扩展速率研究。利用本文提出的疲劳裂纹扩展预报修正模型,对钛合金材料在不同应力水平、不同微结构及不同载荷比下的疲劳小裂纹扩展速率进行了预报,将预报结果同相应试验结果进行了对比分析;同时对铝合金材料疲劳小裂纹扩展速率进行了预报,对比分析了预报结果和相应试验结果;最后对钛合金、铝合金材料的疲劳长裂纹扩展速率进行了预报并将预报结果与相应试验结果进行了对比,从而验证该模型在预报金属疲劳裂纹扩展速率时的可靠性。(4)典型金属疲劳全寿命研究。利用本文提出的疲劳裂纹扩展预报修正模型,对钛合金、铝合金在不同条件下的疲劳全寿命进行预报研究并将预报结果与相关试验结果进行对;对钛合金Ti-6Al-4V材料的平面应变断裂韧性ICK进行了测定,同时开展了钛合金Ti-6Al-4V疲劳寿命试验研究,从而验证本文所提的疲劳裂纹扩展预报修正模型具有很好的工程应用价值。

关键词：金属材料疲劳小裂纹小裂纹扩展速率疲劳寿命

低温下钢结构连接抗剪疲劳和动态断裂韧性试验研究

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低温下钢结构连接抗剪疲劳和动态断裂韧性试验研究

作者：顾浩洋清华大学

学位级别：硕士

桥梁、海洋平台等钢构件、节点可能承受循环往复的疲劳荷载和冲击荷载作用,若在低温条件下服役则其脆性断裂的风险会增加。目前各国的钢结构设计条文对钢结构低温下的疲劳尚没有明确规定。对防冲击脆断的设计主要体现在冲击功的规定上... 详细信息

桥梁、海洋平台等钢构件、节点可能承受循环往复的疲劳荷载和冲击荷载作用,若在低温条件下服役则其脆性断裂的风险会增加。目前各国的钢结构设计条文对钢结构低温下的疲劳尚没有明确规定。对防冲击脆断的设计主要体现在冲击功的规定上。为了深入探究钢结构在低温条件下的疲劳和动态断裂性能,本文完成了由普通建筑钢材Q345B焊接而成的两类构造细节共计60个试样的低温疲劳试验以及两类建筑钢材Q235B、Q345B及其焊缝共计60个试样的低温和常温示波冲击试验,并对低温动态断裂试验进行数值模拟,结合理想模型和工程算例探讨了动态断裂的应力强度因子放大效应。主要研究内容如下:(1)对两类焊缝受剪的疲劳细节,包括侧面角焊缝连接和正面角焊缝连接各30个试样进行了低温高周疲劳试验,得到了0℃、-20℃、-40℃环境温度中两类构造细节的S-N曲线,分析了两类构造细节破坏模式的差异,并与常温的试验结果和规范规定的S-N曲线进行对比。结果表明侧面角焊缝连接在低温下的抗疲劳性能略有提升,较为稳定;正面角焊缝连接在低温下疲劳性能主要受焊接过程影响,低温下可能出现疲劳寿命降低的情况。(2)对Q235B、Q345B及E4303、E5015焊缝四种材料在20℃、0℃、-20℃、-40℃、-60℃的温度条件下进行示波冲击试验,得到了四种材料在五个温度条件下的动态断裂韧性。结果表明,动态断裂韧性值随着温度降低并非单调下降,在低于-20℃后四种材料的动态断裂韧性都呈现了明显降低的趋势。根据Boltzmann函数拟合给出了四种材料的韧-脆转变温度。(3)使用ABAQUS显式动力学分析结合位移外推法计算Q235B钢材-60℃～0℃温度条件下的动态断裂韧性,使用ABAQUS隐式动力学分析给出动态断裂韧性随时间变化的J-t曲线,使用两种计算方法得到的动态断裂韧性值在-60℃和-40℃拟合效果较好。(4)使用ABAQUS计算了带中心裂纹的二维板在理想阶跃荷载下的动态应力强度因子响应,分析了动态应力强度因子的放大系数与板件几何尺寸的关系。计算了两类实际工程中应用的带裂纹梁的动态响应,发现中心裂纹比边缘贯穿裂纹对动态荷载更加敏感,动载下两类裂纹的断裂安全系数显著下降。对交通信号灯杆受车辆撞击问题进行了模拟,给出了给定裂纹长度的容许撞击速度,并探讨了低温下容许撞击速度的变化规律。

关键词：疲劳动态断裂示波冲击应力强度因子动力学分析

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机背油箱振动疲劳寿命预测与优化

机背油箱振动疲劳寿命预测与优化

作者：顾浩洋南京航空航天大学

学位级别：硕士

飞机结构在飞行中始终处于振动环境中,机背油箱这种金属薄壁结构更容易激发出共振,以致结构产生共振疲劳,对飞行安全构成重大威胁。本文以金属薄壁结构的机背油箱为研究对象,根据模态分析、疲劳分析、结构优化理论,运用有限元分析和Mat... 详细信息

飞机结构在飞行中始终处于振动环境中,机背油箱这种金属薄壁结构更容易激发出共振,以致结构产生共振疲劳,对飞行安全构成重大威胁。本文以金属薄壁结构的机背油箱为研究对象,根据模态分析、疲劳分析、结构优化理论,运用有限元分析和Matlab数值求解技术,对处于共振环境中的机背油箱进行疲劳和结构优化研究。主要工作如下:利用***建立了机背油箱的有限元模型,通过虚拟质量法模拟机背油箱中流体和油箱薄壁结构之间的耦合效应。在此基础上,利用Nastran分别对空油箱和有油油箱进行了模态分析和频响分析,为后续疲劳分析做好准备。其次,确定了材料的S-N曲线和油箱振动环境载荷谱,借助***平台,根据Miner线性累积损伤准则和Dirlik宽带随机疲劳寿命分析法完成了空油箱和有油油箱的振动疲劳寿命估算,获得了机背油箱结构产生振动疲劳时的危险点及其危险点处的寿命,对结果进行了分析评估。最后,通过机背油箱参数化建模,以机背油箱各个面的厚度作为优化变量,以机背油箱的壁厚和固有频率作为约束,结构总质量为优化目标,基于遗传算法并结合Matlab-Patran-Nastran联合仿真,对机背油箱结构进行了优化。结果表明,以油箱质量最小为优化目标,使得油箱的各阶固有频率远离共振频带,避免了共振疲劳的发生。本文的研究结果表明,利用有限元方法能够对机背油箱振动疲劳寿命进行预测,同时以结构固有频率为约束,通过优化可以避免机背油箱结构的共振疲劳。

关键词：机背油箱有限元方法共振疲劳结构优化遗传算法

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建筑钢材微观损伤模型的韧性参数校正

天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2018年第A01期51卷 1-9页

作者：王元清关阳刘明顾浩洋石永久清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室北京100084 沈阳建筑大学沈阳110168

Q235B和Q345B钢材在中国建筑领域应用广泛,但却缺乏该类钢材的微孔扩张模型(VGM)和应力修正临界应变(SMCS)模型等微观损伤模型韧性参数,且关于断裂方面的研究缺乏监测到钢材断裂时刻的应力与应变,而无法正确对韧性参数进行校正.笔者取... 详细信息

Q235B和Q345B钢材在中国建筑领域应用广泛,但却缺乏该类钢材的微孔扩张模型(VGM)和应力修正临界应变(SMCS)模型等微观损伤模型韧性参数,且关于断裂方面的研究缺乏监测到钢材断裂时刻的应力与应变,而无法正确对韧性参数进行校正.笔者取材自母材、热影响区、焊缝区的3种Q235B和Q345B钢材,加工了36个缺口圆棒试件,通过系列单轴拉伸实验,获得了Q235B和Q345B钢材的VGM和SMCS模型韧性参数,然后利用有限元计算VGM模型和SMCS模型对Q235B和Q345B钢材韧性断裂的预测效果.结果表明:VGM模型和SMCS模型对Q235B钢材破坏荷载的预测程度可以控制在25%,以内,对Q345B钢材的预测可以控制在10%,以内,两种模型对破坏荷载的预测程度精准于对破坏位移的预测程度.

关键词： Q235B Q345B VGM模型 SMCS模型韧性参数

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拖船拖钩系统局部强度有限元分析

舰船科学技术 2015年第S1期37卷 73-76页

作者：董能超王珂顾浩洋江苏科技大学船舶与海洋工程江苏镇江212003

拖船作为一种工程船舶,主要对没有动力或不宜使用动力的海上设施进行拖曳作业。拖船作业方式按水域可分为港口拖曳和开放水域拖曳,开放水域拖曳又可分为应急拖曳和正常拖曳。拖船在拖曳时拖钩系统承受很大的作用力,因此拖钩系统结构局... 详细信息

拖船作为一种工程船舶,主要对没有动力或不宜使用动力的海上设施进行拖曳作业。拖船作业方式按水域可分为港口拖曳和开放水域拖曳,开放水域拖曳又可分为应急拖曳和正常拖曳。拖船在拖曳时拖钩系统承受很大的作用力,因此拖钩系统结构局部强度是拖船设计公司所关注的,然而,通过计算可以发现,拖曳系统下方的甲板纵桁在拖曳过程中具有较高的应力水平,因此对拖船甲板纵桁的合理设计也至关重要。本文对正常拖曳情况下拖船缆柱、缆桩和T型材甲板纵桁进行强度分析,并对响应结构进行结构优化,从而使拖钩系统强度满足规范要求。

关键词：拖船拖钩系统局部强度结构优化

建筑结构钢材及其焊缝循环本构模型的实验研究

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天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2019年第A02期52卷 1-8页

作者：王元清关阳刘明卜宜都刘希月顾浩洋清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室北京100084 沈阳建筑大学土木工程学院沈阳110168 国防科技大学空天科学学院长沙410073

为研究钢结构的超低周疲劳断裂问题,探究钢材的循环本构关系,使用普通钢Q235B和Q345B共18个标准圆棒试件,采用等幅循环加载,研究试件滞回性能、破坏形态和损伤退化特性,在Chaboche本构模型的基础上,利用实验滞回曲线,标定了Q235B和Q345... 详细信息

为研究钢结构的超低周疲劳断裂问题,探究钢材的循环本构关系,使用普通钢Q235B和Q345B共18个标准圆棒试件,采用等幅循环加载,研究试件滞回性能、破坏形态和损伤退化特性,在Chaboche本构模型的基础上,利用实验滞回曲线,标定了Q235B和Q345B钢材本构模型的参数,并利用ABAQUS对实验结果进行有限元模拟.通过混合强化材料实验研究表明,Q345B钢材及其焊缝在低周往复加载时的耗能能力要高于Q235B钢材及其焊缝,采用Chaboche本构模型可以准确地模拟钢材的循环滞回特性,有限元与实验结果比对较吻合,为预测钢材循环往复韧性断裂提供了可行办法.

关键词：超低周疲劳断裂 Q235B和Q345B 等幅循环 Chaboche钢材塑性本构模型有限元分析

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风帆助力船风帆处局部强度分析

江苏科技大学学报（自然科学版） 2016年第3期30卷 219-221,236页

作者：顾浩洋尹群王珂江苏科技大学船舶与海洋工程学院江苏镇江212003

针对新型风帆助力船风帆处局部强度安全问题,以某散货船为研究对象,利用有限元软件对风帆安装舱段进行了局部强度计算分析,得到各结构响应,并据此提出了增加甲板厚度和增加风帆相邻肋位处甲板横梁两种风帆局部强度加强方案,并着力分析... 详细信息

针对新型风帆助力船风帆处局部强度安全问题,以某散货船为研究对象,利用有限元软件对风帆安装舱段进行了局部强度计算分析,得到各结构响应,并据此提出了增加甲板厚度和增加风帆相邻肋位处甲板横梁两种风帆局部强度加强方案,并着力分析了两种方案的利弊.从而保证了风帆助力船的安全性、经济性,为风帆助力船设计提供参考.

关键词：风帆助力船局部强度有限元

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钛合金疲劳小裂纹扩展行为预报方法研究

舰船科学技术 2017年第4期39卷 45-48,58页

作者：顾浩洋王珂尹群江苏科技大学船舶与海洋工程学院江苏镇江212003

针对小裂纹扩展阶段裂纹尖端塑性区域尺寸相对于小裂纹长度是不可忽略的问题,在考虑小裂纹效应裂纹扩展速率修正模型基础上,对该模型中裂纹尺寸进行修正,即裂纹长度等于真实裂纹长度加上平面应变状态下裂纹尖端塑性区域一半;并利用修正... 详细信息

针对小裂纹扩展阶段裂纹尖端塑性区域尺寸相对于小裂纹长度是不可忽略的问题,在考虑小裂纹效应裂纹扩展速率修正模型基础上,对该模型中裂纹尺寸进行修正,即裂纹长度等于真实裂纹长度加上平面应变状态下裂纹尖端塑性区域一半;并利用修正后的模型对钛合金材料不同情况下疲劳小裂纹扩展速率和寿命进行预报,同时将预报结果与试验值比较。结果表明:修正后的预报模型对小裂纹扩展速率和寿命均有很好的预报效果。

关键词：小裂纹平面应变小裂纹扩展速率疲劳寿命预报