大宽厚比试件的对比分析介绍

数值模拟能否捕捉到试件失效过程的主要特征，具有重要意义。对于单调荷载作用下宽厚比较大的试件，试验结果表明，破坏过程可分为如图7-16所示的几个过程：

（1）整个截面的屈服；

（2）达到极限拉伸强度后试件中间高度附近的柱壁开始变薄；

（3）剪切带的形成；

（4）裂纹萌生；

（5）裂纹快速扩展和抗拉承载力突然丧失。

图7-16　试件RH1-1的破坏过程

在单调拉伸条件下，试件的裂纹扩展速度非常快，无法精确获得裂纹萌生时的照片。数值结果可以很好地模拟剪切带的形成和裂纹的形态，如图7-17所示。

图7-17　试件RH1-1破坏形态的对比（单位：MPa）(www.xing528.com)

数值结果的力-位移曲线与试验结果吻合较好，试件RH1-2的数值模拟也能很好捕捉到与RH1-1相似的失效过程；有限元结果稍微高估了试件RH1-2的断裂位移，如图7-11所示。这种高估可能是由于当应力三轴度低于-1/3时，循环延性断裂模型假定损伤不累积，这可能低估了负应力三轴度下大塑性应变范围内的损伤。当构件的宽厚比较大时，这种低估变得更加明显，这可能与该类型试件局部屈曲后严重的应变集中相关。

对于在增幅和等幅循环加载下大宽厚比的热处理试件，试验结果表明，破坏过程可分为6个步骤，如图7-18所示：

（1）拉伸下整个截面的屈服；

（2）初始受压屈曲；

（3）经历几个大塑性加载循环后在变形集中区域形成一系列小裂纹；

图7-18　试件RH1-3的破坏过程

（4）在循环加载下形成宏观裂纹；

（5）在循环拉伸和压缩下裂纹稳定扩展；

（6）裂纹快速扩展，导致试件突然失去抗拉承载力。

有限元模拟可以较好预测相应试验的屈曲模式和裂纹萌生位置，试件RH1-3的结果如图7-19所示。模拟还可以较好评估力-位移曲线和裂纹萌生时刻，如图7-11所示，但很难准确捕捉裂纹快速扩展的时刻。由于局部屈曲区两开裂面之间存在自接触问题，使得大塑性循环加载下钢构件屈曲后裂纹萌生和扩展模拟更加复杂。此外，所采用的单元删除方法不能精确捕捉到裂纹尖端的形状，这可能使得裂纹扩展的模拟有一定的局限性。该方法的有效性有待于进一步的数值和试验研究。更精确的方法，如扩展有限元（XFEM）方法（Belytschko，et al.，2009），可较好地描述裂纹尖端的外观，在未来的研究中可能具有一定的前景。然而，到目前为止，XFEM方法应用于无初始裂纹的大塑性应变问题仍然存在一些局限性，如收敛性问题，并且该方法一般仅限于商用软件中的弹性问题或有预设裂纹的研究对象。