疲劳裂纹出现过程中的损伤多尺度分析

2023-08-26 理论教育版权反馈

【摘要】：根据前述疲劳裂纹的萌生与演化机制的分析，演化过程可分为斜腹杆内部疲劳微裂纹萌生、扩展至表面可见裂纹与表面裂纹扩展这样三个阶段。由此可见，尽管损伤从材料层次到构件层次的演化并非跨尺度过程，其材料层次特征响应演化规律的变化也预示着构件层次特征响应的演变，材料层次损伤演化即疲劳微裂纹加速扩展的阶段同样可视为构件损伤跨层次演化的特征。

在前两节中，已分析了裂纹尖端的塑性区演变情况和疲劳裂纹萌生过程；依据光测结果分析了构件表面疲劳裂纹尖端的细观位移场和应变场。这里进一步依据同步进行的动态响应测试结果分析疲劳裂纹扩展过程中斜腹杆的固有频率演化过程，依照疲劳加载过程将其与细观塑性区和疲劳裂纹演化进程一同绘入图2.36中。

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图2.36　正面翼缘处疲劳裂纹萌生与扩展过程

由图可见，疲劳损伤演化过程中细观和宏观尺度下的各物理量特征参数具有相互关联和相互影响的效果。疲劳裂纹的萌生和扩展是构件损伤的主导因素。根据前述疲劳裂纹的萌生与演化机制的分析，演化过程可分为斜腹杆内部疲劳微裂纹萌生、扩展至表面可见裂纹与表面裂纹扩展这样三个阶段。其中，微观到细观尺度的疲劳裂纹萌生的过程，对应于图中70万次疲劳周期之前的阶段。而疲劳裂纹在构件内部萌生后逐步扩展到表面的过程，即对应于图中70万次至107万次疲劳周期，属于斜腹杆损伤演化从细观到宏观尺度的跨越，以斜腹杆预制裂纹尖端表面塑性区作为特征响应并描述其演化过程；与此同时，裂纹尖端塑性区的演化过程对应着疲劳裂纹自构件内部到表面的扩展过程，按照前述对于细观疲劳裂纹萌生机制的阐述，裂纹尖端的塑性区扩展到最大值的时刻即对应了疲劳裂纹扩展至斜腹杆构件表面。在斜腹杆损伤演化进程的意义下，上述过程是相互衔接的；然而，在宏细观损伤分界点，两种尺度下特征响应的演化特征是截然不同的，斜腹杆构件细观损伤经历了不断演化和累积，并处于细观尺度下损伤演化的后期，损伤演化程度较高、速度较快；相对而言，斜腹杆构件宏观损伤处于演化初期，损伤演化程度较低、速度较慢。因此，在107万次疲劳周期时，尽管预制裂纹尖端塑性区的尺寸明显大于表面疲劳裂纹的长度，仍将其视为宏细观损伤的分界点，而在此之前，细观特征响应加速扩展的阶段可视为损伤从细观到宏观跨尺度演化的特征。

在疲劳裂纹自斜腹杆构件内部萌生并扩展至表面之后，即进入构件表面疲劳裂纹的扩展阶段。在107万次至177万次疲劳周期内，疲劳裂纹扩展了约2.0mm，该过程对应了损伤从材料层次到构件层次的跨越。材料层次的疲劳裂纹演化过程可明显区分为两个阶段；其中，在160万次疲劳周期之前较长的时间内，疲劳裂纹处于缓慢扩展阶段，疲劳裂纹长度扩展了0.6mm；而在此之后的17万次疲劳周期内，疲劳裂纹扩展过程明显加快，并迅速达到2mm。与之对应的，构件层次的损伤导致了斜腹杆的固有频率随疲劳裂纹的扩展逐渐下降，至160万次疲劳周期时比原固有频率下降了0.7%，其下降趋势逐渐明显。由此可见，尽管损伤从材料层次到构件层次的演化并非跨尺度过程，其材料层次特征响应演化规律的变化也预示着构件层次特征响应的演变，材料层次损伤演化即疲劳微裂纹加速扩展的阶段同样可视为构件损伤跨层次演化的特征。

实验中还发现，裂纹尖端塑性区尺寸的扩展过程对应于疲劳裂纹在翼缘内部萌生并逐渐扩展到翼缘表面形成穿透裂纹的过程，但是该过程发生在构件内部，难以观测到并且描述清楚。借助断口分析以及图像处理可得到试样的疲劳断口形态，显示了试样内部疲劳裂纹萌生和裂纹扩展至试样表面两个阶段，在每个阶段中预制的裂纹、疲劳裂纹扩展区和塑性区都有明显的界线，由此建立试样表面塑性区尺寸和内部疲劳裂纹长度之间的关系。此外，对比发现，在相同的疲劳周期下，结构局部损伤接近4%已经发现宏观疲劳裂纹的情况下，1号杆件的频率仅下降了1%左右，仅接近动态测试技术的频率分辨率，考虑测试现场条件噪声以及其他环境因素的影响，该测试结果说明局部材料层次的损伤并没有导致结构整体动态参数发生显著的变化，但是，在疲劳荷载下，损伤在结构中跨尺度演化是一个持久并逐步加速的过程，局部损伤的积累必将引起结构整体性能的劣化，并最终导致结构失效。

研究结果表明：钢桁架易损部位的损伤特性与结构层次上的损伤有不同的表现，对结构中局部损伤对结构整体的行为有不同的影响。局部损伤过程对结构局部热点区域变形规律影响较大，在较轻的损伤程度下，局部变形就已进入塑性发展阶段。钢桁架结构焊接区易损部位的损伤演化过程导致了结构局部与整体响应产生了非线性效应，桁架焊接区域内的材料发生严重塑性损伤、大大加剧了局部应变分布的奇异性；在各级别损伤程度下的结构易损局部的应变响应和钢桁架的整体挠度响应都与易损部位的损伤程度表现出弱非线性相关，而局部损伤破坏导致的结构局部响应的非线性效应远比结构的整体响应更加明显。

疲劳裂纹出现过程中的损伤多尺度分析

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