一种评估钢结构厚板内部损伤累积的方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及材料损伤的评估方法，具体涉及一种评估钢结构厚板内部损伤累积的 方法。
【背景技术】
[0002] 钢结构厚板广泛应用于建筑工程、桥梁工程中，桥梁工程中应用的钢结构的板厚 在一般在50mm左右，而建筑工程中采用的钢板厚度则可达130_。较之于普通薄钢板，由于 其钢板的厚度增大，因此其乳制和加工工艺均与薄钢板有所区别，而这样的区别往往会导 致厚板内部出现杂质残留，这种残留甚至可能导致严重的中心偏析现象。
[0003]此外，以钢结构厚板为型材的构件通常采用多层多道焊的焊接加工工艺，多层多 道焊的焊接很容易引起的温度不均匀，从而导致材料的韧性明显降低，且会伴随产生复杂 的残余应力场，可能导致层状撕裂和/或其他形式的断裂破坏现象。
[0004] 钢结构厚板的断裂破坏实质上是损伤累积导致的结果，而损伤累积的发生往往是 因为材料内部存在的如二相粒子形成微孔洞、微裂纹等微结构在外力作用下孔洞逐渐长 大、孔洞间逐渐聚合，最终形成宏观裂纹的过程。
[0005]目前对于钢结构损伤累积的评估方法主要包括从宏观和细观两个角度的评估；其 中：
[0006]宏观评估主要是从挠度、曲率等宏观指标入手评估结构损伤，由于影响整体结构 损伤的因素众多，包括材料、结构形式、受力形式等，因此这种方法并不适合用于针对钢结 构厚板的损伤累积研究；
[0007]而微观评估主要是从材料本构关系入手，仅考虑材料内部的损伤累积，通过建立 各类损伤模型以描述损伤累积，更适用于评估钢结构厚板材料内部损伤的累积。但是现有 的通过损伤模型来评估损伤累积的缺陷在于，会将厚钢板视为均匀材料，而对于厚钢板而 言，其厚度大的结构特性以及乳制、加工、焊接等工艺特性导致其沿着厚度方向各层的本构 关系和损伤累积程度并不可以简单地一概而论，因此目前的损伤模型往往难以准确评价厚 钢板材料的损伤累积。
[0008]如何通过全面描述和评估厚板内部损伤演化的过程，从而对钢结构厚板的损伤累 积程度加以准确评价，是领域内亟待解决的技术问题。
【发明内容】
[0009]有鉴于此，本发明提供一种评估钢结构厚板内部损伤累积的方法，旨在为钢结构 厚板构件的数值计算提供支持。
[0010] 本发明采用的技术方案具体为：
[0011] -种评估钢结构厚板内部损伤演化的方法，包括如下步骤：
[0012]S10:建立针对钢结构厚板的弹塑性损伤本构模型，推导得出模型应力分量的增量 形式；
[0013] S20 :针对增量形式，编制相应的材料子程序；
[0014] S30:沿厚度方向对钢结构厚板进行分层取材，确定出各层材料的弹塑性参数和损 伤参数；
[0015] S40:建立钢结构厚板的有限元模型，将编制的材料子程序引入到有限元分析之 中，对不同层的材料参数赋予不同的材料属性；对有限元模型进行加载，模拟钢结构厚板在 外荷载作用下的损伤演化过程，从而对其进行相应的评估。
[0016] 在上述评估钢结构厚板内部损伤演化的方法中，所述步骤S10具体为：
[0017] 考虑材料内部损伤累积的延性损伤模型的损伤演化的形式为：
[0018]
[0019]
[0020] 其中：
[0021] D为损伤的全量形式；
[0022] β为损伤的增量形式；
[0023] ερ为一维塑性应变及三维累积塑性应变；
[0024] εPD和PD为一维及三维情况下的塑性应变损伤阀值；
[0025] E为初始弹性模量；
[0026] σ为当前的真实应力；
[0027] S为损伤能量强度；
[0028] Rv= 2(1+υ)/3+3(1_2υ) (〇n/oeq)2为三轴函数；
[0029] υ为泊松比；
[0030] σeq为等效应力；
[0031] 基于应变等效假设，考虑损伤演化的混合强化屈服函数为：
[0032]
[0033] 根据正交流动法则，塑性应变增量和累积塑性应变分别为：
[0034]
[0035]
[0036] 其中，dλ为塑性因子：
[0039]
[0037]
(6);[0038] 各应力分量的表达式：
[0040]
[0041 ]
[0042]其中：
[0043] &为四阶弹性刚度矩阵；
[0044] Μ为混合强化系数，体现了等向强化和随动强化的共同作用；
[0045]ΕΡ为塑性模量；
[0046]Ε为弹性模量；
[0047]Ετ为强化切线模量；
[0048] 将公式（4)、（5)、（7)、（8)、（9)代入式（6)，化简即得到塑性因子以及塑性刚度矩 阵的表达式：
[0055] 之后可进一步得到损伤演化方程的增量形式：
[0056] \ y
[0057] 由增量迭代计算即可得到损伤全量，评估出钢结构厚板内部的损伤积累水平；
[0058] 用弹塑性参数h，k2, . . .，kn来描述材料的强化过程，S卩：当前的真实应力〇通过 式（16)获得；
[0059] 其中：σ=fQ^，k2, · · ·，kn) (16)。
[0060] 在上述评估钢结构厚板内部损伤演化的方法中，所述步骤S20具体为：
[0061] 首先，根据有限元软件提供的应变增量△ε计算预测步的更新应力，判断材料的 预测步处于弹性阶段还是塑性阶段，基于预测步的弹塑性状态更新应力及Jacobian矩阵： 若：
[0062] 预测步的状态处于弹性阶段，则直接采用更新的应力及Jacobian矩阵，其他状态 变量保持不变，返回ABAQUS主程序；
[0063] 预测步的状态处于塑性阶段，进一步通过判断当前步的状态是否已处于塑性阶段 来确定塑性应变；若：
[0064] 当前步处于塑性阶段，则应变增量Δε即为塑性应变；
[0065] 当前步处于弹性阶段，则应变增量△ε中扣除弹性应变￡6后为塑性应变；
[0066] 根据公式（4)~（14)更新应力分量；
[0067] 进一步判断更新的塑性应变ερ是否大于塑性应变损伤阀值PD:
[0068] 若ep>PD，则根据公式（15)更新损伤值D，然后判别当前损伤值D是否大于损伤 临界值D。;若否，则直接进入判别当前损伤值D是否大于损伤临界值D。的步骤；若D>D。， 则令损伤停止增长，即D=D。后继续子增量循环计算，若否则直接进行子增量循环计算，根 据公式（4)~（14)更新应力分量；直至子增量循环结束后，存储应力分量、各状态变量及 Jacobian矩阵，返回ABAQUS主程序。
[0069] 在上述评估钢结构厚板内部损伤演化的方法中，所述步骤S30具体为：
[0070] 对钢结构厚板沿厚度方向进行分层，对各分层进行取材，分别对其进行标准拉伸 试验和重复拉伸试验，识别材料参数，包括弹塑性参数和损伤参数；其中：
[0071] 通过公式（16)拟合标准拉伸试验的真实应力-真实应变曲线，获取弹塑性参数；
[0072] 损伤参数包括塑性应变损伤阀值εPD和损伤能量强度S，获取方法具体为：
[0073] a)在重复拉伸试验中，利用试验机的编程功能，对试件进行重复加载卸载，得到名 义应力-名义应变关系图；其中：
[0074] 名义应变为试验中的拉伸位移与试件原始标距之比；
[0075] 名义应力为试验加载力与试件初始面积之比；
[0076] 当名义应力达到最大时，其值即为试件的抗拉强度σu，抗拉强度σu对应的塑性 应变即为塑性应变损伤阀值ePD;
[0077] b)重复拉伸试验各卸载过程的斜率即为卸载弹性模量云，通过数据分析可得 到不同应变点处的I，根据卸载弹性模量f各初始的弹性模量Ε，得出材料试件的损伤值
根据绘制出的试验过程中损伤值D随塑性应变的演化图，得出不同点处的
根据公式（1)逆推得到变形式（17);
(17)；
[0078]
[0079] 根据该点处应力σ i、损伤Di以及f计算得到各点的损伤能量强度Si，进而计算 '^Ρ· 其平均值即可得到钢结构厚板的损伤能量强度S。
[0080] 在上述评估钢结构厚板内部损伤演化的方法中，所述步骤S40具体为：
[0081] 在有限元软件ABAQUS中建立钢结构厚板模型，沿厚度方向分为层，将编制好的材 料子程序引入钢结构厚板模型中，根据S20中确定的各层材料参数，给相应层赋予不同属 性，对模型施加外部荷载，在ABAQUS软件内部运行计算，模型中的每个单元对应一个积分 点，通过计算之后可求得各积分点的损伤值。
[0082] 在上述评估钢结构厚板内部损伤演化的方法中，在步骤S20中，为提高计算精度， 采用子增量循环法将塑性应变分割为η份，每计算一个子增量步即更新一次应力。
[0083] 在上述评