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。

正如兵库县南部地震造成的损害所表明的那样，钢框架建筑的焊接接头中不可避免地存在的焊接缺陷可能会产生延性裂纹，并可能从其尖端发生脆性断裂。本研究的最终目标是开发一种定量评估焊接缺陷对接头强度影响的方法，并基于该方法制定钢框架的质量控制标准。在最容易出现缺陷的梁翼缘端部焊缝的始端和末端产生诸如夹渣、假定熔合不良的部分熔透焊接以及疲劳裂纹等人为缺陷，并改变材料和试验温度进行了实验。这些焊接接头。进行了详细的非线性有限元分析，以数值方式再现实验中观察到的脆性断裂。为了预测脆性断裂的发生，我们使用了基于以下概念的改进的 FAD（断裂评估图）方法。用于缺陷评估的弹塑性J_c是根据标准化材料测试方法通过紧凑拉伸测试（CT测试）方法测量的。这些样本的裂纹尖端受到强烈的塑性约束。另一方面，梁柱节点存在的焊接缺陷很多是表面缺陷，在发生脆性断裂时，焊接缺陷周围区域已经大范围屈服。因此，焊接缺陷缺口尖端处的塑性约束要弱得多。因此，弱塑性约束缺陷的J_c电阻值（表观J_c）需要通过概率论方法将CT试件测量的J_c相加来确定。通过使用该表观J_c，可以准确地预测脆性断裂的发生。根据这种数值断裂力学方法，仅用数值分析就可以再现接头的各种缺陷和脆性断裂，从而很容易制定焊接缺陷的验收标准。此外，在已部分穿透焊接的接头中，形成从未焊接部分延伸至母材表面的剪切滑移带，减少了塑性约束，降低了最大主应力，不易发生脆性断裂。被证实会发生这种情况。