Q460C高强钢材断裂韧性的弹塑性有限元分析
Q460C高强钢材断裂韧性的弹塑性有限元分析
韧性断裂林云;王元清;张延年;石永久
【摘 要】应用ANSYS软件对Q460C高强钢材标准三点弯试样断裂韧性进行弹塑性数值模拟,验证高强钢材常温下的裂纹敏感性.采用实体单元SOLID95计算刀口张开位移、三向应力分布以及裂纹尖端张开位移CTOD值,表明沿试样厚度方向,CTOD值变化较小,靠近裂纹尖端呈三向拉应力状态,偏离尖端一定距离呈复杂的应力状态,且复杂应力较大限制了裂纹尖端的塑性发展；不考虑低温影响因素时,缺陷对Q460C钢材的影响较大,当裂纹塑性发展后,Q460C钢材表现为较大的缺陷敏感性.%It' s necessary to study on the elasto-plastic fracture performance of the standard three point bend specimen of Q460C high strength construction steel, by ANSYS finite element software. The crack sensitivity of Q460C steel at room temperature was proved. The analysis was made on displacements of notch, three-dimensional stresses as well as crack tip opening displacement by solid 95 elements. The CTOD values changed slightly along thickness of specimens. While next to the crack tip, there was three-dimensional tensile stress state. However, there converted to complex stress while it deviate
d from the tip a certain distance. Without considering the temperature factor, it impacted on toughness of Q460C steel greatly was its defect After plasticity development of the crack, Q460C steel showed greater sensitivity to defects.
【期刊名称】《低温建筑技术》
【年(卷),期】2012(034)002
【总页数】4页(P1-4)
【关键词】Q460C钢材;断裂韧性;弹塑性;有限元分析
【作 者】林云;王元清;张延年;石永久
【作者单位】沈阳建筑大学土木工程学院,辽宁沈阳110168;土木工程安全与耐久教育部重点实验室清华大学土木工程系,北京100084;沈阳建筑大学土木工程学院,辽宁沈阳110168;土木工程安全与耐久教育部重点实验室清华大学土木工程系,北京100084
【正文语种】中 文
【中图分类】TU391
高强度钢材以其较高结合强度与韧性的特点作为高性能钢材，在建筑结构中较早被引进;随着热处理工艺及轧制技术的发展，特别是热机械控制工艺在制造钢材中的应用，高强度钢材的综合力学性能不断得到改善，逐渐符合大跨、高层结构轻质高强高延性的要求，使其在建筑行业中的应用拥有广阔的前景［1-4］。文中对文献［5］的高强度结构钢材Q460C三点弯试件(常温下)进行基于弹塑性断裂力学的有限元模拟分析。线弹性断裂力学主要从应力强度与能量角度来分析裂纹尖端的应变应力场，局限于脆断分析，而当韧性较好的钢材发生大面积屈服时，超出弹性范围，应基于塑性力学;弹塑性断裂力学考虑了裂纹扩展时钢材的塑性变形，得出了CTOD(裂纹尖端张开位移)和J积分作为弹塑性断裂的判据。
1 数值模型
1.1 建模
三点弯试验中，试件裂纹a的最后3mm为预制疲劳裂纹，其尖端的曲率半径r→0，可近似为理想裂纹。采用ANSYS软件对常温下三点弯Q460C试样建立三维模型，进行了有限元模拟
及数值分析，以便与试验数据进行比较［5］，并试图获得Q460C高强钢材理想裂纹端的应力应变场分布状况。根据实际试验试件量测情况，取图1为计算几何模型，参数如下:长度140mm，宽度28mm，厚度14mm，跨距112mm，刀口高3mm，刀口宽8mm，裂纹加刀口高度总长为14mm。
采用Solid95(20节点实体单元)模拟，此单元适合不规则或曲边模型，可退化为宝塔单元，是Solid45(8节点实体元)的高阶元，分析裂纹尖端扩展情况时比Solid45更精确，能较好模拟高强钢材的弹塑性能。模型考虑应力沿试样厚度中心往两边方向呈对称分布，故可取试样1/2厚度的模型，沿Z向每1mm厚度划分一个单元，如图2(a)所示，裂纹尖端网格划分较细如图2(b)。
1.2 CTOD的确定
数值计算基于图3的裂纹张开类型及所定义的CTOD。如图3所示，裂纹张开后离尖端一定位置的裂纹面近似为平面，从原始裂纹前缘作上下两条与裂纹延线夹角为45°的斜线，与上下张开裂纹面交于j、k两点，j、k两点间的垂直距离即为CTOD。
1.3 本构关系
计算中应用Von Mises屈服原则，考虑了高强度钢材塑性的本构关系，输入Q460C钢材的真实应力应变曲线如图4所示［6］，弹性模量 E=210000MPa，泊松比 v=0.3，σy=460MPa，σu=550MPa，εy=0.00219，εst=0.01，εu=0.10。采用位移控制加载方式，即在跨中顶部施加竖向位移，而荷载根据计算出的反力获得［7］。计算P-V加载曲线时，为防止应力集中，在加载处耦合一块刚性近似无穷大的垫板。
2 计算结果及其分析
2.1 计算结果
有限元数值分析中，采用多线性随动强化模型MKIN，未考虑裂纹发展对裂纹面的削弱，模型的裂纹为理想的尖裂纹，而实际试件的裂纹最后一段为疲劳预制，裂纹前缘为不能精确控制曲率半径的弧线而不是直线型。
在试件顶部跨中施加3.5mm的竖向位移，采用自动时间步，当前荷载步的时间步长值设为0.02，最大时间步长值设为0.04，计算获得 27个数据点，当刀口张开位移在0.27845mm左右，荷载增加变缓，计算反力获得的最大压缩力为20.58kN，接着刀口张开位移量增加，荷载缓慢下降。
2.2 与试验结果对比分析
将有限元计算结果与试验采集的数据进行比较分析，绘成如图5所示的荷载-刀口张开位移P-V曲线对比图。
(1)分析图5，有限元分析结果与Q460C试件FB-1、FB-2以及FB-3的三条试验数据曲线吻合的较好，四条曲线的第一个拐点处基本在刀口张开同一位移处。随后有一小段，数值曲线逐渐高于试验曲线，但偏离不大，之后数值曲线的极值点与三条试验曲线的极值点又近乎在同一刀口张开位移处，但数值曲线未有强化阶段，接着四条曲线都开始呈缓慢下降趋势;表明数值模拟高强度钢材断裂韧性中引入多线性随动强化模型的有效性和合理性。
(2)由于裂纹尖端实际存在的复杂塑性区域大小无法把握，限于计算能力，试样的断裂韧性未能通过数值计算得到完全精确的反映，但对裂纹尖端三向应力场的分析影响不大，进而分析应力状况对钢材断裂的影响是不能忽略的。
3 裂纹尖端应力分布
3.1 沿厚度方向应力
表1 沿Z向分布的CTOD值 mm距中心距离/mm P=18.46/kN 0(中心)0.023624 0.087235 0.189985 0.279774 0.412990 P=5.54/kN P=14.59/kN P=17.42/kN P=17.99/kN均值 0.023620 0.087200 0.189905 0.279696 0.412967
张开的裂纹面沿Z方向有一定的厚度，分析表明CTOD值沿模型Z方向的分布并未一致，如表1所示;分析结果表明，荷载较小，则CTOD较小时，从厚度的中心向外CTOD值逐渐下降，在表面附近趋向水平，仅当CTOD=0.41299时，从中心位置往外，值略有上升，大概到试件厚度1/4处开始略有下降;但总体上差别很小，最大差别不到0.05%。因而可以对称中心面上的CTOD值作为试件的CTOD值。
3.2 三向应力
基于图3定义的x-y坐标系，不同载荷下裂纹尖端附近的三向应力和von Mises等效应力在裂纹张开面上的分布情况如图6所示。
(1)分析图6，在r/a≈0.35之前，σX为拉应力，r/a≈0.35之后，σX为压应力;当大约r/a ＜0.3时，Y向应力为拉应力，r/a ＞ 0.3时，σy为压应力;0≤r/a ＜ 0.5之间，裂纹尖端的Z向应力始终为拉应力。
(2)在加载过程中，裂纹区域的Y向应力 ＞Z向应力＞X向应力。随CTOD值增大，三向应力单调增加，且增长速率越来越快，直至r→0(趋近裂纹尖端)时达到最大。
(3)Von Mises等效应力表明，r/a≈0.25时，试件的应力最小，r/a＞0.25，等效应力逐渐递增，则r/a=0以及r/a≈0.5时为裂纹尖端附近的危险区域。

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