繰り返し荷重下に溶接欠陥から成長する延性及び脆性亀裂の数値シュミレーション

循环加载下焊缝缺陷扩展的延性和脆性裂纹的数值模拟

基本信息

批准号：
01F00052
负责人：
黒羽啓明
金额：
$ 1.34万
依托单位：
Sojo University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2001
资助国家：
日本
起止时间：
2001 至 2003
项目状态：
已结题

项目摘要

兵庫県南部地震による被害で明らかになったように、鉄骨建築物の溶接接合部に不可避的に存在する溶接欠陥から延性亀裂が進展し、その先端から脆性破壊が発生する恐れがある。溶接欠陥が接合部の強度に及ぼす影響を定量的に評価する手法を開発し、これを基に鉄骨の品質管理基準を策定することが本研究の最終目標である。欠陥が最も発生し易い梁フランジ端部溶接の始終端に、スラグ巻込み、融合不良を想定した部分溶込み溶接、疲労亀裂などの人工欠陥を設け、かつ、材質、試験温度を変化させて、これらの溶接接合部の実験を行った。実験で観察された脆性破壊を数値的に再現するために詳細な非線形有限要素解析を行った。脆性破壊の発生を予測するために、次の考え方に基づく改良FAD(破壊評価線図)の手法を用いた。欠陥の評価として用いる弾塑性のJ_cとしては、規格化された材料試験方法に従ったコンパクトテンション試験(CT試験)法で計測されたものを用いた。これらの試験片の亀裂の先端は強い塑性拘束を受けている。他方、柱梁接合部に存在する溶接欠陥の多くは表面欠陥であり、かつ、脆性破壊を生じる時点では、溶接欠陥の周辺部は広い範囲で降伏している。従って、溶接欠陥の切欠き先端部に存在する塑性拘束は遥かに弱い。そこで、塑性拘束の弱い欠陥のJ_c抵抗値(見かけのJ_c)は、CT試験片で計測されるJ_cを確率論の手法を用いて割り増したものとする必要がある。このような見かけのJ_cを用いることにより脆性破壊の発生を精度良く予測することができた。この数値破壊力学の手法によれば、数値解析のみで種々の欠陥や接合部の脆性破壊を再現できるので、溶接欠陥の許容基準を策定することが容易となった。さらに、部分溶込み溶接した接合部では、不溶接部分から母材表面にまで拡がるせん断滑り帯が形成されるために塑性拘束が小さくなり、最大主応力が小さくなるために脆性破壊が発生し難くなることが確かめられた。

正如由诺戈省县Nanbu地震造成的损害所揭示的那样，由于钢结构焊接关节不可避免地存在焊接缺陷，可能会出现延性裂纹，并且在尖端可能会发生脆性断裂。这项研究的最终目标是开发一种定量评估焊接缺陷对关节强度的影响的方法，并根据这种方法制定钢框架质量控制标准。在最有可能发生缺陷的梁法兰末端焊接的开始和末端，诸如碎屑包装，部分穿透焊接，疲劳裂纹等的人为缺陷，这些缺陷是部分穿透焊接的，预计会导致这些焊接接头的融合缺陷以及对这些焊接接头的实验。进行了详细的非线性有限元分析，以在实验中观察到的脆性断裂。为了预测脆性断裂的发生，我们根据以下概念使用了改进的FAD（断裂评估图）技术。根据标准化材料测试方法，通过紧凑张力测试（CT测试）方法测量用于评估缺陷的弹性塑料J_C。这些标本的裂纹尖端受到强塑料约束。另一方面，梁柱接头中存在的大多数焊缝缺陷是表面缺陷，在发生脆性断裂的时候，焊缝缺陷的周围产生了宽区域。因此，焊接缺陷凹口处存在的塑料约束要弱得多。因此，有必要假设通过使用概率理论方法对CT样品测量的J_C进行弱塑性约束的缺陷的J_C电阻值（显然是J_C）。使用这种明显的J_C，可以准确预测脆性骨折的发生。这种数值断裂力学方法使得可以轻松制定焊接缺陷的公差标准，因为它可以单独使用数值分析来复制各种缺陷和关节脆性断裂。此外，已经证实，在部分穿透的焊接接头中，形成了从未成年部分延伸到基本材料表面的剪切滑带，从而产生了小的塑性约束，并减少了最大的主应力，使脆性裂缝很难发生。