冲击荷载作用下钢结构涂层力学响应及损伤机理探讨

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论文字数:36599 论文编号:sb2021112016003839710 日期:2021-12-05 来源:硕博论文网
本文是一篇土木工程论文,本文以钢结构涂层在内蒙古地区实际服役环境为背景,针对钢结构涂层在冲击荷载作用下损伤问题,采用有限元模拟方法,基于涂层材料基本力学参数,通过反演分析,得到聚氨酯涂层压缩时应力应变曲线;采用力学理论、数值模拟和试验相结合的方法研究冲击荷载作用下钢结构涂层分别在弹性阶段、弹塑性阶段和开裂分层脱落阶段的力学响应,分析钢结构涂层在不同阶段的变形机理和失效模式。

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义
内蒙古中西部地区位于西伯利亚及蒙古冷高压的前沿,冷空气入侵频繁,冬春季节风力强劲[1],该地区又分布有库布齐、乌兰布和、腾格里和巴丹吉林沙漠四大沙漠和浑善达克、毛乌素沙地两大大沙地[2-3],是我国沙尘暴爆发较频繁的地区之一[4],该地区的钢结构设施如钢结构厂房、桥梁、大跨结构、塔桅结构等极易受到风沙硬质颗粒介质和大风天气中高空物体坠落物的冲击,而表面涂层能极大的改善钢结构的表面性能,从而起到对钢结构防护作用。钢结构表面涂覆有机涂层是目前应用最为广泛的防护手段,聚氨酯涂层因具有良好的耐腐蚀性以及柔韧性等特点,在钢结构防护方面得到了广泛的应用,但其固化过程中微孔隙较多,硬度和屈服强度较低,导致其抗风沙冲蚀破坏性能较差。因此,研究分析钢结构聚氨酯涂层力学性能及抗冲击性能,对钢结构涂层在西部地区的工程应用具有重要的意义。
目前,研究者们通过理论、试验及数值模拟方法对金属材料和脆性硬质涂层受固体颗粒冲冲击进行了研究,且取得了不少进展,主要研究了涂层在固体颗粒冲击作用下以冲击力波形和能量耗散为评价指标分析冲击磨损行为[5]、不同参数(涂层总厚度、调制比和冲击角度)对多层涂层冲击损伤影响[6]、应变率以及超声冲击次数对金属材料应力应变的影响规律[7]和涂层结构变化对基体冲击塑性应变的影响[8],根据冲击力学响应以及应力分布来分析涂层的破坏机理[9]。但对弹塑性材料涂层研究较少,且多为较小固体颗粒冲蚀条件下的研究[10-11],分析主要集中在冲击粒子在不同速度和不同角度综合作用下涂层冲蚀损伤机理和剥落行为[12-14],而对弹塑性材料涂层的力学性能和钢结构涂层受较大颗粒介质冲击的力学响应及损伤机理研究却鲜见。本文应用固体接触力学理论分析了钢结构涂层在冲击荷载作用下分别在弹性接触阶段和弹塑性接触阶段的力学响应,分析涂层在弹塑性接触阶段的变形机理;利用有限元软件ABAQUS 分析钢结构涂层在冲击荷载作用下分别在弹性阶段、弹塑性阶段和损伤破坏阶段的力学响应,比较弹性接触阶段和弹塑性接触阶段力学响应的有限元分析结果与理论计算结果,验证了有限元模拟的可靠性,并利用该有限元软件分析涂层在损伤破坏阶段损伤机理;对钢结构涂层进行冲击球压试验,并将钢结构涂层各阶段冲击试验损伤破坏形貌与有限元仿真模拟形貌进行对比,得到冲击荷载作用下钢结构涂层损伤破坏过程及失效模式,结果将为钢结构涂层受冲击荷载的损伤提供理论参考和工程应用。
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1.2 损伤理论研究现状
1.2.1 损伤及损伤过程概述
材料的力学性能是指研究对象在荷载、环境因素、人为制作因素及在三者共同作用下表现出变形与断裂宏观行为规律以及其物理性能,材料宏观力学行为是内部微观结构及性质的表达,内部微观结构与性质是宏观力学行为的基础,所以这些可见的力学行为规律及可测的物理性质是评定材料质量的重要依据。由于材料本身性能及制造误差,材料内部及其表面本身存在的微缺陷及微空隙,并在一定荷载作用下微缺陷处会产生应力集中现象,若达到材料破坏强度时,这些微空隙会发生扩展,使研究对象部分材料逐渐失去承受荷载的能力,导致材料强度等力学性能下降,这种由于微观结构特性变化引起材料力学性能下降的变化称为损伤。在力学上,微裂纹的扩展过程即为损伤的过程[15]。需要注意的是,材料从开始承受荷载到最终破坏的整个过程中,并不是每一时刻都引起材料宏观力学性能的衰减,只有当材料内部微观结构发生损伤,才会对材料力学性能参数产生影响,且损伤积累到一定程度后,才能产生肉眼可见的宏观破坏现象[16]。材料在荷载作用下损伤过程可由有限元分析软件 ABAQUS 进行模拟,可以用损伤变量来表达材料受损程度,并用单元删除技术,在模型中可以宏观看到材料损伤起始位置,随着损伤的积累,最后可以看到微裂纹的扩展方向。
1.2.2 损伤理论的发展概况
早在 60 年代,“连续性因子”和“有效应力”的概念首次由 P.M.Kachanov 提出,该理论用来研究金属内部的损伤规律,使得金属微观损伤破坏特征可以宏观表达出来。由 Rabotnov、Lemaitre[17]又相继引入了“损伤因子”和“应变等效原理”的相关概念,在研究材料的蠕变破坏时,使用该概念来反映材料内部损伤规律,使损伤理论向前推进进了一大步。这些学者对材料内部损伤规律的研究工作,对损伤理论的建立和发展起到了引导性的作用。70 年代初,“损伤”被重新提出来,并被运用到低周疲劳、蠕变、高周疲劳、蠕变一疲劳相互作用以及延性塑性损伤等领域。70 年代中后期,各国学者相继采用连续介质力学的方法,把损伤因子作为一种场变量,并称为损伤变量,逐步形成了连续损伤力学的框架和基础,在该时间段内,损伤理论只分析材料微观损伤对材料力学性能的影响,无法研究宏观裂纹出现以后的阶段。80 年代初,能量损伤理论和几何损伤理论相继形成,损伤理论在金属与非金属的损伤研究领域中应用十分广泛,该理论是对材料从微观缺陷、形成宏观裂纹到破坏的全过程进行分析研究,后来有学者将损伤理论逐渐发展为损伤力学[18-19]。
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第二章 冲击荷载作用下钢结构涂层理论分析

2.1 弹性固体接触理论分析
2.1.1 刚性小球冲击钢结构涂层的力学模型
内蒙古中西部地区实际风沙环境中近似圆形和椭圆形的沙粒可达 82%以上[55],且沙粒硬度远远大于钢结构涂层的硬度,故可将风沙粒子视为刚性球体,如图 2-1为刚性球体冲击钢结构涂层接触力学模型,将钢结构涂层看作接触体,刚性球体被看作另一个接触体,且直接以荷载形式出现。当被冲击物宽度和厚度均取大于 20a(a 为接触半径)时,接触面上的载荷对系统应力分布的影响可以忽略,且被冲击物可以被看作半无限体[46-47]如图 2-1(b),所以在一定范围内,刚性球体冲击钢结构涂层也可以看作一个动态的点力作用在半无限体上。
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2.2 弹塑性固体接触理论分析
根据以上弹性固体接触理论分析计算可知,刚性球体冲击钢结构涂层材料在一定冲击速度下,涂层会发生屈服,进入弹塑性阶段。
2.2.1 刚性球体弹塑性压入的力学模型
真实材料的弹性在塑性压入过程中起了重要作用,当初次超过屈服点时,塑性区很小并被仍保持为弹性的材料完全包围,所以塑性应变与周围弹性应变的量级相同。随着压头载荷不断增加,或是压头压入深度不断增大时,塑性区增大,塑性应变与周围弹性应变相差较大,部分材料被压头挤出。在这些情况下,产生塑性变形的材料受到周围固体的弹性膨胀的调节,作用在材料表面的压头载荷越大,在压头下方产生的压力越大,弹性区会产生在相应压力作用下的膨胀。最后,塑性区挤出材料的自由表面,挤出的材料受到塑性流动作用自由流向压头的旁边。
如图 2-6 为刚性球体压头冲击钢结构涂层在弹塑性阶段的接触力学简化模型,a为接触半径,c 为接触中心点距离弹塑性边界的距离。在这一简化的模型中,认为刚性球体的接触表面正处于半径为 a 的半圆形的“核心”里,忽略被球体压头挤出的材料。
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第三章 冲击荷载作用下钢结构涂层的有限元模型及结果分析..................................22
3.1 ABAQUS 模拟软件简介及仿真模拟流程..................................... 22
3.1.1 ABAQUS 软件简介................................... 22
3.1.2 ABAQUS 软件原理.................................... 23
第四章 钢结构涂层冲击试验方案及试验分析...................................48
4.1 试件材料及制备..........................................48
4.2 试验设备及试验方案...............................................49
4.3 钢结构涂层试件在不同冲击荷载作用下形貌分析.............................49
结论..............................55

第四章 钢结构涂层冲击试验方案及试验分析

4.1 试件材料及制备
试验中所用基体材料选用尺寸为 100mm×100mm,厚度为 5mm 的 Q235B 型普通低碳钢薄钢板,材料满足《碳素结构钢和低合金结构钢热轧厚钢板和钢带》(GB/T3274-2007)的要求。钢板材料首先经 240 目较粗砂纸打磨除去较大区域的锈蚀,再经 800 目细砂纸继续打磨除锈并用毛刷清除表面,去掉杂质浮尘,使得表面粗糙,增加附着力。利用空气压缩机和雾化油漆喷枪对钢板材料进行喷涂,喷枪型号为 TT-4000,喷嘴尺寸为 2.5mm,气泵压力为 0.8-1.0MPa,喷涂时喷枪保持水平,距离试件 100mm-200mm 垂直喷涂。喷涂工艺为喷涂一道漆后隔一天再继续喷涂。本试件被喷涂两道底漆丙烯酸树脂底漆和五道双组份聚氨酯面漆,喷涂完毕,待试件干透后,利用如图 4-1 所示的测厚仪测得涂层平均厚度为 800μm,钢板材料被喷涂涂层后的试件如图 4-2 所示。
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结论


本文以钢结构涂层在内蒙古地区实际服役环境为背景,针对钢结构涂层在冲击荷载作用下损伤问题,采用有限元模拟方法,基于涂层材料基本力学参数,通过反演分析,得到聚氨酯涂层压缩时应力应变曲线;采用力学理论、数值模拟和试验相结合的方法研究冲击荷载作用下钢结构涂层分别在弹性阶段、弹塑性阶段和开裂分层脱落阶段的力学响应,分析钢结构涂层在不同阶段的变形机理和失效模式。主要得出以下结论:
1.不同荷载作用下在界面处切应力传播规律:在刚性球体冲击速度为 1m/s 时,由球体接触涂层表面,使其受到挤压的初始接触阶段界面切应力最大值的变化较大;在冲击速度大于等于 2m/s 时,在涂层初始受到挤压到压缩变形量达到最大的时间段内各个时刻的界面切应力最大值基本相同,即在涂层受到挤压初始时刻,界面切应力在某一位置处已达到最大值,随着涂层变形量的增大,最大切应力向远离接触中心点方向“传递”。整个冲击过程中,从球体接触涂层表面使其受到挤压初始时刻是决定界面切应力分布的关键时刻。
2.切应力最大的位置处界面粘结单元失效,切应力是导致界面结合处失效破坏的主要因素,且由球体与涂层表面接触,使涂层表面初始受到挤压时的界面切应力分布是决定界面失效破坏关键时刻,界面结合裂纹首先沿着该时刻切应力最大值位置处附近(切应力较大位置处)扩展,表现出界面破坏首先向接触中心点处方向延伸,即首先向内部扩展。
3.不同荷载作用下钢结构涂层表面变形和界面损伤破坏形貌:在碳化钨刚性小球冲击速度 6mm/s 时,涂层表面出现塑性变形;在刚性小球冲击速度 1m/s,涂层出现凹坑和隆起变形;冲击速度 2m/s 时,涂层材料若为Ⅰ型聚氨酯涂层,表面受到环向应力为 2MPa,达到抗拉强度,出现径向裂纹,界面没有破坏;冲击速度 3.2m/s时,界面在距接触中心点一定距离的位置处破坏,涂层与基体分离,出现分层现象。冲击速度 4m/s 时,界面在距接触中心点一定距离的位置处破坏,并且首先向接触中心点处扩展。
4.通过冲击试验得到,不同冲击荷载作用下钢结构涂层的响应分为三个阶段,第一阶段为涂层变形阶段,涂层产生凹坑状,球形压头旁有隆起现象;第二阶段从宏观来说为出现裂纹阶段,具体表现为涂层隆起、产生径向裂纹和界面结合处明显分层的现象;第三阶段为涂层脱落阶段,涂层表面的径向裂纹和界面处分层破坏,两种破坏形式共同作用下导致涂层脱落;也就是,钢结构涂层在冲击荷载作用下破坏过程,首先涂层材料会出现凹坑状;随着冲击荷载增大,由于涂层材料抗拉强度较低,达到抗拉强度时,涂层表面会出现径向裂纹;随着荷载继续增大涂层基体界面处出现分层现象,即涂层与基体分离,最终在两种破坏形式共同作用下出现涂层脱落破坏,该结论与不同冲击荷载作用下钢结构涂层形貌有限元分析的结果是一致的。
参考文献(略)


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