基于微-细观机理的混凝土疲劳损伤本构模型

该文致力于混凝土疲劳损伤发展机理的微细观解释. 以速率过程理论为基础,通过考虑裂纹断裂过程区中的水分子动力作用,在细观尺度上建立了具有物理机理的疲劳损伤能量耗散表达式. 结合细观随机断裂模型,以宏观损伤力学为框架,建立了疲劳损伤演化方程. 通过数值模拟,计算了单轴受拉时的疲劳损伤演化以及不同加载幅度下的疲劳寿命. 与相关试验结果的对比显示出该文模型能够很好地表现混凝土材料的疲劳损伤演化过程.      

THE FATIGUE CONSTITUTIVE MODEL OF CONCRETE BASED ON MICRO-MESO MECHANICS

该文致力于混凝土疲劳损伤发展机理的微细观解释. 以速率过程理论为基础,通过考虑裂纹断裂过程区中的水分子动力作用,在细观尺度上建立了具有物理机理的疲劳损伤能量耗散表达式. 结合细观随机断裂模型,以宏观损伤力学为框架,建立了疲劳损伤演化方程. 通过数值模拟,计算了单轴受拉时的疲劳损伤演化以及不同加载幅度下的疲劳寿命. 与相关试验结果的对比显示出该文模型能够很好地表现混凝土材料的疲劳损伤演化过程.     

基于顺序雨流法和临界平面法的多轴变幅低周疲劳寿命评价

 在多轴变幅疲劳寿命预测过程中，合适的雨流计数法对复杂加载历程分析非常重要，但是大多数雨流计数过程往往无法保持原始的加载顺序特性，进而会导致非保守的疲劳损伤和寿命预测．本文提出一种考虑加载顺序效应并基于临界面概念的多轴实时顺序雨流法，该方法既具有实时顺序计数特点，同时与Bannantine-Socie多轴雨流法结合，可以实现对主要通道内的载荷历程实时的雨流计数．基于Morrow 模型，提出一种新的考虑加载顺序的线性损伤累积方法．相对于传统雨流计数法需要得到完整的载荷数据后才能进行分析的特点，新方法计算效率更高，实用性更强．通过对316L 不锈钢的多轴疲劳试验数据的分析，验证了该方法在多轴疲劳寿命预测过程中的有效性．     

基于能量法的多轴疲劳寿命预测方法

摘 要：有效的疲劳寿命预测方法是确保处于多轴循环载荷作用下的工程构件安全性的关键。结合临界平面思想，提出了一种基于能量法的多轴疲劳寿命预测模型；该模型针对不同的疲劳失效形式采用不同的临界面上能量参数作为损伤参量，可体现多轴加载条件下的平均应力效应以及临界面上各方向参量对材料疲劳损伤的影响。通过六种材料的多轴疲劳试验数据对所提出的模型及其它三种经典能量模型进行了评估与验证，结果显示所提出的模型相较于其他模型具有更好的寿命预测精度及工程适用性。     

基于韧性耗散模型的损伤定量分析方法

材料的静力韧性便于工程测量,对疲劳损伤较其它宏观损伤变量更敏感。本文以材料静力韧性为宏观损伤变量,依据疲劳过程中金属材料韧性随疲劳循环加载而变化的实验结果的规律分析,得到了应力和循环数表达的损伤演化方程和损伤累积模型。该模型能较好地反映加载顺序的影响。推导出该疲劳损伤累积模型在多级加载下的递推公式。经四种金属材料疲劳试验数据验证结果表明,该模型预测疲劳寿命是较为满意的。由于疲劳试验数据分散性大,结果有待进一步验证。     

考虑非比例附加损伤的多轴低周疲劳寿命模型

基于临界面法, 提出了一种能够反映非比例疲劳寿命锐减现象的多轴低周疲劳寿命模型. 与传统临界面模型只考虑附加强化效果不同, 新的模型在疲劳损伤参量中引入新定义的非比例附加损伤系数, 能综合考虑非比例加载条件下附加强化和载荷路径两种因素对疲劳寿命减少的影响, 并且分别以最大切应变和最大损伤平面作为临界面来构建疲劳损伤参量, 反映了临界面的选取对模型预测结果的重要影响. 从已发表文献中选用8 种材料的多轴疲劳试验结果进行验证, 新模型能同时适用于比例和非比例加载, 并且具有很好的寿命预测精度和材料适用性.      

焊接结构长寿命区疲劳累积损伤的概率模型

根据焊接结构在各种随机谱载荷下长寿命区疲劳试验的有关资料,对变幅载荷下焊接结构在长寿命区疲劳累积损伤的分布规律进行了统计分析,根据长寿命区疲劳高度离散性的特点,提出了一种变标准差的概率设计模型。     

Modeling the low-cycle fatigue behavior of visco-hyperelastic elastomeric materials using a new network alteration theory: Application to styrene-butadiene rubber

Although several theories were more or less recently proposed to describe the Mullins effect, i.e. the stress-softening after the first load, the nonlinear equilibrium and non-equilibrium material response as well as the continuous stress-softening during fatigue loading need to be included in the analysis to propose a reliable design of rubber structures. This contribution presents for the first time a network alteration theory, based on physical interpretations of the stress-softening phenomenon, to capture the time-dependent mechanical response of elastomeric materials under fatigue loading, and this until failure. A successful physically based visco-hyperelastic model is revisited by introducing an evolution law for the physical material parameters affected by the network alteration. The general form of the model can be basically represented by two parallel networks: a nonlinear equilibrium response and a time-dependent deviation from equilibrium, in which the network parameters become functions of the damage rate (defined as the ratio of the applied cycle over the applied cycle to failure). The mechanical behavior of styrene-butadiene rubber was experimentally investigated, and the main features of the constitutive response under fatigue loading are highlighted. The experimental results demonstrate that the evolution of the normalized maximum stress only depends on the damage rate endured by the material during the fatigue loading history. The average chain length and the average chain density are then taken as functions of the damage rate in the proposed network alteration theory. The new model is found to adequately capture the important features of the observed stress-strain curves under loading-unloading for a large spectrum of strain and damage levels. The model capabilities to predict variable amplitude tests are critically discussed by comparisons with experiments.     

一种考虑拉伸保持效应的多轴疲劳寿命模型

通过定义考虑拉伸保载效应的CFI因子(creep-fatigue interaction factor)，将拉伸蠕变损伤和疲劳损伤进行非线性耦合. 根据断裂实验的观察，针对拉伸主 导的裂纹萌生、扩展及破坏的多轴疲劳问题，给出了一个基于临界面方法的能量型高温多轴 疲劳寿命预测模型. 所给出的模型可对不同温度、不同载荷特点、不同保载时间的多轴疲劳 寿命进行预测，模型的材料参数不依赖于温度和载荷. 并且此方法可以很方便地推广到其它 因素主导破坏的高温多轴疲劳寿命预测. 通过拟合高温合金Udimet720Li单轴带保持时间的 低循环疲劳(low cycle fatigue, LCF)寿命试验数据，得到了材料常数. 结合黏 塑性有限元分析方法，对高温双轴带保载循环载荷下Cruciform试件的寿命进行了 预测，预测结果基本落在2倍分散带内，达到工程的要求，证明了该模型的有效性.     

混凝土低周疲劳强度衰减及寿命预测方法研究

根据低周疲劳的特点, 对混凝土$S$-$N$曲线进行了适当简化, 在此基础上提出了一种 混凝土低周疲劳强度衰减模型及寿命预测方法, 并通过疲劳试验确定了相关参数. 与实测的 疲劳变形发展过程及Miner准则对比分析得出, 提出的模型及方法适用于混凝土低周疲 劳, 能较好地反映出混凝土的低周疲劳损伤机理.     

Simulation of the stochastic damage evolution process under low cycle fatigue by the finite element method

A numerical simulation of stochastic damage evolution process in the condition of low cycle fatigue loading is discussed. The relations between damage variables and micro-cracks are obtained by means of the micro-mechanics model of the representative volume element proposed by Lemaitre and Dufailly^[10]. The stochastic initial damage values are introduced in consideration of the inherent micro-defects in materials. The model combined with a finite element method is applied to simulate the damage evolution process under low cycle fatigue loading. The micro-cracks on the sur face of a specimen of 19Mn6 alloy steel are measured with a replica technique. The numerical results show that the nonhomogeneity of damage and the localization of the fatigue failure are well shown by the proposed simulations, and the fatigue lives are reasonably predicted.     

一种新的多轴非比例低周疲劳寿命预测临界面模型

工程结构在服役过程中往往承受着复杂的多轴非比例循环荷载,在长期动力载荷作用下结构构件的失效主要为多轴非比例疲劳破坏. 文中基于圆管薄壁试件在拉-扭复合加载情况下的多轴疲劳试验结果,对比了广泛讨论的Kandil-Brown-Miller (KBM) 模型和Fatemi-Socie (FS) 模型对多轴非比例疲劳寿命的预测能力,分析了非比例加载条件引起多轴疲劳附加损伤的原因;针对FS 模型对不存在非比例附加强化的材料多轴疲劳寿命预测的不足,提出了一个能考虑非比例加载路径变化和材料附加强化效应双重作用的非比例影响因子,参照FS 准则提出了一种新的多轴非比例低周疲劳寿命预测临界面模型. 利用5 种材料的多轴非比例疲劳试验数据对该模型进行了试验验证,结果表明:采用文中提出的临界面模型预测的多轴非比例疲劳寿命与试验结果符合较好,预测精度优于FS 模型;同时,该模型对不存在非比例附加强化的材料的多轴疲劳寿命预测表现出更好的适用性,且能有效的提高不同类型材料的多轴非比例疲劳寿命预测精度.      

一种新的多轴高周疲劳寿命预测模型

分析和讨论3种典型载荷(单轴拉压、纯扭及90^\circ非比例)情况下的5组损伤控制参数,提出了一种以临界面上最大剪切应力幅和最大法向应力的非线性组合作为损伤控制参数的多轴高周疲劳寿命预测模型, 该模型考虑了平均应力对疲劳寿命的影响, 比现有的疲劳预测模型具有更宽的金属材料适用范围. 两种不同类型材料下的多轴非比例试验的预测结果表明,模型的预测结果与试验符合较好.      

一种考虑非比例附加损伤的多轴低周疲劳模型

在实际工作环境中,机械结构往往承受着多轴非比例循环载荷.相比多轴比例循环加载,多轴非比例循环加载由于产生了附加强化现象,造成机械结构疲劳寿命下降.通过分析薄壁圆筒管件在非比例加载工况下应力应变变化规律和发生破坏位置,本文基于临界面法提出一种考虑多轴非比例附加损伤的疲劳模型.该模型将最大剪切应变幅平面作为临界面,提出一个新的附加强化因子,结合临界面上切应变幅和正应变幅组成新的多轴疲劳损伤参量.此参量不仅考虑了非比例加载下临界面上正应变幅和切应变幅对材料造成的疲劳损伤,还考虑到应变路径的变化和材料非比例加载敏感特性对材料疲劳寿命的影响.考虑到实际情况下模型所需材料附加强化系数有时难以获得的情况,给出了材料附加强化系数的有关近似计算公式.只需要材料基本力学参数便可得到材料附加强化系数,方便工程实际应用.采用8种材料的多轴疲劳寿命数据对提出的新模型进行检验,结果表明所提出的新模型与传统多轴疲劳模型相比预测寿命精度更高.      

Experimental Analysis and Damage Modeling of High-Density Polyethylene under Fatigue Loading

In this study,an experimental analysis for determining the fatigue strength of HDPE-100 under cyclic loading is presented.The curve of cumulative fatigue damage versus number of cycles(D-N) was deduced from stiffness degradation.Based on the three stage damage trend,the remaining fatigue life is numerically predicted by considering a double term power damage accumulation model.This model is found to be accurate,both in modeling the rapid damage growth in the early life and near the end of the fatigue life.Numerical results illustrate that the proposed model is capable of accurately fitting several different sets of experimental data.     

高周疲劳的损伤-硬化模型

两级循环加载条件下,材料的剩余寿命强烈地依赖于加载历史。究其原因,不同加载历史将引起材料的微结构发生不同的变化,使得材料的硬化效果和变形行为表现出明显的差异,从而影响了损伤的演化过程。本文引入硬化状态变量来表征加载历史对疲劳损伤演化过程的影响。通过对两级循环加载下损伤演化规律和剩余寿命的研究,认为在两级（或多级）加载条件下,材料的损伤演化和剩余寿命强烈地依赖于加载历史造成的损伤和硬 化状态。     

低周疲劳随机损伤过程的有限元模拟

讨论了一种低周疲劳下随机损伤演变过程 数值模拟方法，借助于Ｌｅｍａｉｔｒｅ＆Ｄｕｆａｉｌｌｙ给出的代表性体元的微观力学模型，建立了损伤与微裂纹尺寸的关系，采用随机初始损伤反映材料中固的的微缺陷，将所得模型与有限元结合对低周疲劳损伤过程进行了数值模拟。     

基于能量耗散分析的混凝土随机疲劳损伤模型

基于微-细观随机断裂模型(MMSF)发展了一类混凝土随机疲劳损伤模型。该模型将MMSF中的微弹簧视为一能量耗散单元并考察了其跨尺度的能量耗散过程。在纳观尺度,引入速率过程理论描述裂纹的扩展速度,并基于裂纹层级模型和自相似假定完成从纳观尺度到微观尺度的过渡。由此建立了微弹簧在疲劳荷载作用下的多尺度耗能描述。此外,为了考虑疲劳加载中混凝土多条裂纹的相互影响,引入了包含损伤扩展效应和损伤愈合效应的疲劳损伤因子来修正耗能表达。通过与相关试验的对比,证明了该模型能反映疲劳荷载作用下混凝土的主要力学行为,如疲劳损伤三阶段特点、疲劳寿命的离散性和疲劳寿命随加载频率的变化趋势等。     

多轴随机载荷下的疲劳寿命估算方法

现代工业的发展使得更多的构件承受着复杂的载荷形式, 将单轴疲劳模型应用到多轴载荷情况已不能满足现代工业的设计要求, 多轴随机载荷下的疲劳寿命计算日益引起人们的重视. 多轴随机载荷的寿命预测中, 如何计算载荷循环次数是其基础,目前广泛使用的是雨流计数方法, 现在已能成功的应用于多轴载荷的情况. 累积的疲劳损伤分析在各种构件和结构的载荷历史中都起着重要的作用. 自从线性损伤律提出以来已发展了数十种损伤律, 变幅载荷引起的疲劳损伤可以由许多不同的累积损伤律来计算, 虽然发展了许多损伤模型, 由于问题的复杂性, 每个模型的应用范围也是随具体情况而定. 线性损伤律方法尽管有很多不足之处, 但在设计使用中仍占有重要的位置. 两载荷水平及模式下的损伤累积以及损伤与物理机制的关系在本文中也做了介绍. 针对近年来提出的描述多轴随机载荷下疲劳寿命估算方法进行了详细的评述, 对各模型的应用范围和预测能力进行了讨论, 并对今后的工作提出了建议.      

Damage precursor detection for structures subjected to rotational base vibration

This paper presents a nonlinear dynamic methodology for monitoring precursors of fatigue damage in metallic structures under variable rotational base excitation. The methodology accounts for important nonlinearities due to the complex loading generated by variable rotation and structural degradation. The sources of the nonlinearities include: structural stiffening due to gyroscopic motion and high-response amplitude at the fundamental mode, softening due to inertial forces and gyroscopic loads, and localized microscopic material damage and micro-plasticity. The loading intensity and number of vibration cycles increase the influence of these effects. The change in the dynamic response due to fatigue damage accumulation is experimentally investigated by exciting a cantilever beam at variable rotational base motions. The observed fatigue evolution in the material microstructure at regions of large stresses (and the resulting progressive structural softening) is tracked by quantifying the growth in the tip response, the change in the fundamental natural frequency of the beam and the skewedness of the stepped-sine response curve. Previous understanding of the structural dynamic behavior is necessary to ascertain the damage precursor location and evolution. Nanoindentation studies near the beam clamped boundary are conducted to confirm the gradual progression in the local mechanical properties as a function of loading cycles, and microstructural studies are conducted to obtain qualitative preliminary insights into the microstructure evolution. This study demonstrates that careful monitoring of the nonlinearities in the structural dynamic response can be a sensitive parameter for detection of damage precursors.