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正交异性钢桥面板顶板与纵肋连接焊缝疲劳裂纹数值模拟方法
| 论文题名： | 正交异性钢桥面板顶板与纵肋连接焊缝疲劳裂纹数值模拟方法 |
| 关键词： | 正交异性;钢桥面板;连接焊缝;疲劳裂纹;数值模拟;开裂机理 |
| 摘要： | 顶板与纵肋连接焊缝是正交异性钢桥面板中的典型疲劳细节，顶板在服役期间频繁承受车辆轮载，加之焊接过程中容易出现初始缺陷，导致焊根处极易萌生疲劳裂纹。研究该处的疲劳裂纹扩展规律，准确评估其疲劳寿命，是深刻认识正交异性钢桥面板疲劳性能的重要基础，具有重要意义。论文对于正交异性钢桥面板顶板与纵肋连接焊缝的疲劳裂纹数值模拟及其疲劳开裂机理进行了研究，主要研究工作和结论如下: (1)基于线弹性断裂力学原理、相互作用积分原理、Paris公式，提出一种可用于椭圆和半椭圆形裂纹的疲劳裂纹扩展模拟方法，该方法可借助于ANSYS类似于程序语言的命令流编写实现，且在其实现过程中，需要使用ANSYS中的1/4节点奇异单元及相互作用积分法求解裂纹前沿点的应力强度因子幅值; (2)将顶板与纵肋连接焊缝处的疲劳裂纹简化为单个半椭圆形裂纹进行研究，用前述方法进行裂纹扩展数值模拟，通过改变顶板厚度、改变U肋形式、将初始裂纹分别设置于焊根和顶板焊趾处进行模拟，可以发现，在青山长江公路大桥正交异性钢桥面板疲劳实验节段模型中，焊根处比顶板焊趾处更易发生疲劳开裂，从疲劳裂纹扩展模拟的角度来说，镦边U肋对疲劳性能没有明显的改善作用，增加顶板厚度能够有效改善结构的疲劳性能; (3)通过数值模拟显示出的规律，研究关注区域疲劳裂纹扩展的规律，可以得出，在纵向上一段距离内初始缺陷的不利影响程度几乎是相同的，初始裂纹形状对扩展速率和疲劳寿命的影响主要体现在裂纹扩展的初始阶段，不同形状的初始裂纹在经过一段时间的扩展之后，将演变为一相同的相对稳定的形状，持续一段时间后，裂纹将逐渐变得非常扁长; (4)研究裂纹最深点应力强度因子幅值的变化规律，可以发现，裂纹在深度方向上的扩展超过约顶板厚度一半时，最深点的应力强度因子幅值会出现下降现象，裂纹在深度方向上的扩展速率减慢，若降至疲劳裂纹扩展应力强度因子幅值门槛值以下，裂纹在深度方向上的扩展将趋于停滞，裂纹将不会裂穿顶板; (5)研究裂纹最深点和长度方向上端点处的应力强度因子幅值与裂纹形状的关系，可以发现，深度相同时，越扁长的裂纹，最深点应力强度因子幅值越大，裂纹越倾向于向深度方向扩展，反之，越不扁长的裂纹，越倾向于向长度方向扩展。 |
| 作者： | 金正凯 |
| 专业： | 桥梁与隧道工程 |
| 导师： | 卜一之;张清华 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 西南交通大学 |
| 学位年度： | 2017 |
| 正文语种： | 中文 |
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