CN105548005A - 基于sif值评估cfrp加固钢结构疲劳裂纹扩展特性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于SIF值评估CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展特性的方法及***,该方法包括以下步骤:S1、生成裂纹前缘单元,定义裂纹初始尺寸,形成裂纹体;并根据形成的裂纹体建立非裂纹体的有限元模型;S2、判断有限元模型是否加固;S3、对有限元模型施加载荷约束,并采用位移外推法求解该裂纹长度所对应的SIF值;S4、判断是否满足裂纹尺寸设定,并输出加固和未加固的两组有限元模型的不同尺寸裂纹对应的SIF值。本发明通过数值仿真,具有成本低、实用性强等优点,可与试验方法结合,指导试验,节约成本;并且采用本方法即可快速完成CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展特性分析的整个过程,具有较好的通用性,耗时短、效率高。
Description
技术领域
本发明涉及CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展特性的分析方法,尤其涉及一种基于SIF值评估CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展特性的方法。
背景技术
在各工业与民用建筑、桥梁、起重机、隧道、管道、压力容器等中存在大量的钢结构,受环境条件和外界载荷的影响,不可避免的会产生一些裂纹,裂纹的存在给工程设施带来极大的安全隐患。鉴于工程建设的经济性,为了延长受损钢结构的使用寿命,就必须对损伤结构进行加固。传统的钢结构加固修复方法是焊接,但是由于焊接的冶金过程机理的限制,焊接接头始终是钢结构中的薄弱环节。碳纤维增强复合材料(CFRP)加固钢结构是近年发展起来的新技术,与传统的钢结构修复方法相比,粘贴CFRP修复钢结构技术具有明显的优势:如比强度和比刚度高,良好的抗疲劳性能和抗腐蚀能力等。
应力强度因子(SIF)是描述裂纹尖端附近区域应力强度的特征系数,由于裂纹尖端的奇异性,该处趋于无穷大,这种情况下,再用应力作为传统的强度条件就失去了意义。而SIF是个有限量,该特点决定了它更能准确地描述裂纹尖端的应力场强度。在实际应用中,SIF值主要用来度量裂纹前缘的应力场强度,判断裂纹是否会扩展以及研究扩展速率等问题。
影响CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展特性的因素众多,用试验的方法研究CFRP修复钢结构受到很大的限制,耗时长,且裂纹长度的动态扩展在CFRP覆盖下的监测是一大难题,难以达到精度要求。在基础研究阶段,数值分析方法是研究CFRP加固修复钢结构的主要方法,其适应性强,分析时不受结构形状、受载状况和边界条件等的限制,可比较真实的反映工程实际。通过数值仿真,可用较低的成本获得大量有价值的信息,为试验提供必要的数据,减少验证性试验,降低研究成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中检测方法耗时长,且精度低的缺陷,提供一种能够准确的检测裂纹状态的基于SIF值评估CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展特性的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
本发明提供一种基于SIF值评估CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展特性的方法,包括以下步骤:
S1、生成裂纹前缘单元,定义裂纹初始尺寸,形成裂纹体;并根据形成的裂纹体建立非裂纹体的有限元模型;
S2、判断有限元模型是否加固,若进行了加固,则在有限元模型上建立胶层和CFRP的有限元模型,“钢板-胶层-CFRP”实现节点耦合并创建宏文件,对裂纹前缘单元进行奇异化处理;若未进行加固,则直接创建宏文件,并对裂纹前缘单元进行奇异化处理;
S3、对有限元模型施加载荷约束,并采用位移外推法求解该裂纹长度所对应的SIF值;
S4、判断是否满足裂纹尺寸设定,若满足尺寸设定,则改变裂纹初始尺寸,重复执行步骤S1-S3;若不满足尺寸设定,则输出加固和未加固的两组有限元模型的不同尺寸裂纹对应的SIF值。
进一步地,本发明的步骤S1中生成裂纹前缘单元的具体方法为:
将当前坐标系转换为柱坐标系,确定裂纹前缘单元的角度和数量,对每个裂纹前缘单元建立多个节点,并对节点进行编号,根据建立的多个节点生成单个裂纹前缘单元。
进一步地,本发明的步骤S1中裂纹前缘单元的角度为11.25°,数量为16个。
进一步地,本发明的步骤S1中形成裂纹体的具体方法为:
采用通用程序建模的布尔运算命令,生成裂纹前缘附近的二维模型及其它部分的模型,划分网格时,将二维模型的四条弧线和三条半径方向的直线均分成八段,其它部分的模型中含五条直线,从右下方开始沿逆时针方向依次为:L1、L2、L3、L4、L5,为使裂纹周围的网格较小,直线L1可分成10段,且首段长度为末段的0.2倍,直线L2、L3、L4均分成八段,直线L5分成两段,通过映射划分的方法得到面网格,并沿法线方向拉伸一个厚度的尺寸形成裂纹体。
进一步地,本发明的步骤S2中“钢板-胶层-CFRP”实现节点耦合的具体方法为:
将钢板和胶层的接触面以及胶层和CFRP的接触面之间的网格划分一致,胶层和CFRP的有限元模型均分为裂纹体和非裂纹体,将坐标系沿Z轴正方向移动建立胶层的裂纹体模型,并再将坐标系沿Z轴正方向移动建立CFRP的裂纹体模型,非裂纹体采用自顶向下的建模方法,并进行映射网格划分。
进一步地,本发明的步骤S3中采用位移外推法计算应力强度因子的具体操作步骤如下:
将应变能和体积存储到单元列表中,并选择三组节点位置,设置第一组节点在X和Y方向的位置均为0,第二组和第三组节点位置沿着裂纹方向选取,裂纹处于X轴的负半轴,且该两组节点坐标在X方向均为负;获取三组节点编号,定义路径和路径点,路径点即为上述三组节点位置;用KCALC处理命令后根据位移外推法计算该裂纹的SIF值。
本发明提供一种基于SIF值评估CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展特性的***,包括:
模型建立单元,用于生成裂纹前缘单元,定义裂纹初始尺寸,形成裂纹体;并根据形成的裂纹体建立非裂纹体的有限元模型;
裂纹处理单元,用于判断有限元模型是否加固,若进行了加固,则在有限元模型上建立胶层和CFRP的有限元模型,并创建宏文件,对裂纹前缘单元进行奇异化处理;若未进行加固,则直接创建宏文件,并对裂纹前缘单元进行奇异化处理;
SIF值求解单元,用于对有限元模型施加载荷约束,并采用位移外推法求解该裂纹长度所对应的SIF值;
结果输出单元,用于判断是否满足裂纹尺寸设定,若满足尺寸设定,则改变裂纹初始尺寸,重复以上单元的处理过程;若不满足尺寸设定,则输出加固和未加固的两组有限元模型的不同尺寸裂纹对应的SIF值。
本发明产生的有益效果是:本发明的基于SIF值评估CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展特性的方法,实现了CFRP加固钢结构“钢板-胶层-CFRP”模型的节点耦合,能够比较真实的反映CFRP加固钢结构的工程实际;
并且本方法基于有限元思想,分析裂纹在CFRP覆盖加固下的裂纹尖端SIF值,与未加固情况下的SIF值相比较,评估CFRP加固钢结构的效果;本方法通过数值仿真,具有成本低、实用性强等优点,可与试验方法结合,指导试验,节约成本;
另外,本方法针对不同的模型,只需提供裂纹的长度、深度等尺寸并修改材料属性、受载方式、载荷大小等参数,采用本方法即可快速完成CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展特性分析的整个过程,具有较好的通用性,耗时短、效率高。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明,附图中:
图1是本发明实施例的基于SIF值评估CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展特性的方法的流程图;
图2是本发明实施例的基于SIF值评估CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展特性的方法的详细步骤流程图;
图3是本发明实施例的基于SIF值评估CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展特性的方法的裂纹前缘单元示意图;
图4是本发明实施例的基于SIF值评估CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展特性的方法的裂纹体有限元模型示意图;
图5是本发明实施例的基于SIF值评估CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展特性的方法的“钢板-胶层-CFRP”有限元模型示意图;
图6是本发明实施例的基于SIF值评估CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展特性的方法的CFRP加固不同深度表面裂纹效果评估结果图;
图7是本发明实施例的基于SIF值评估CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展特性的方法的CFRP加固I型裂纹不同长度裂纹效果评估结果图;
图8是本发明实施例的基于SIF值评估CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展特性的***的结构框图;
图中,1-CFRP,2-胶层,3-裂纹层有限元模型,4-非裂纹层有限元模型,801-模型建立单元,802-裂纹处理单元,803-SIF值求解单元,804-结果输出单元。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
如图1所示,本发明实施例的基于SIF值评估CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展特性的方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、生成裂纹前缘单元,定义裂纹初始尺寸,形成裂纹体;并根据形成的裂纹体建立非裂纹体的有限元模型;
S2、判断有限元模型是否加固,若进行了加固,则在有限元模型上建立胶层和CFRP的有限元模型,“钢板-胶层-CFRP”实现节点耦合并创建宏文件,对裂纹前缘单元进行奇异化处理;若未进行加固,则直接创建宏文件,并对裂纹前缘单元进行奇异化处理;
S3、对有限元模型施加载荷约束,并采用位移外推法求解该裂纹长度所对应的SIF值;
S4、判断是否满足裂纹尺寸设定,若满足尺寸设定,则改变裂纹初始尺寸,重复执行步骤S1-步骤S3;若不满足尺寸设定,则输出加固和未加固的两组有限元模型的不同尺寸裂纹对应的SIF值。
如图2所示,本发明的另一个实施例中,该方法具体包括以下步骤:
第一步:生成裂纹前缘单元;
第二步:定义裂纹初始尺寸,形成裂纹体;
第三步:建立非裂纹体;
第四步:判断有限元模型是否加固,如加固,执行第五步;如不加固,执行第六步;
第五步:建立胶层和CFRP的有限元模型;
第六步:创建宏文件,对裂纹前缘单元进行奇异化处理;
第七步:施加约束进行求解;
第八步:采用位移外推法计算应力强度因子;
第九步:判断是否满足裂纹尺寸设定,如满足,改变裂纹初始尺寸,重复执行第一步~第八步;如不满足,执行第十步;
第十步:输出加固和未加固两组模型不同尺寸裂纹的SIF值,停止运算。
其中,第一步中生成裂纹前缘单元的具体操作步骤如下:
1、将当前坐标系转换为柱坐标系,通过APDL语言CSYS,1实现。
2、确定裂纹前缘单元的角度和数量。由于裂纹前缘处的应力状态比较复杂,必须对裂纹前缘处的单元进行细化处理才能使计算结果更加准确。对三维裂纹扩展模型划分网格时应注意,曲线裂纹沿裂纹前缘的大小取决于局部曲率的数值,为方便建模,每个裂纹前缘单元取11.25°。在模型对称的情况下可只建立1/4有限元模型,裂纹前缘单元数为16个。
3、建立单个裂纹前缘单元的六个节点,为方便确认且不与前面节点编号重复,此处节点编号可取大一点。
4、通过listelements操作查看已有单元的数量为N,确定下一个单元编号为N+1。由上述六个节点生成单个裂纹前缘单元,并复制该裂纹前缘单元,总数为16。
第二步中形成裂纹体的具体操作步骤如下:
采用通用程序建模的布尔运算命令,生成裂纹前缘附近的二维模型a,及裂纹体二维模型除了二维模型a的其它部分b。为了实现节点耦合,划分网格时二维模型a的四条弧线和三条半径方向的直线均需分成八段。二维模型b中含五条直线,从右下方开始沿逆时针方向依次为:L1、L2、L3、L4、L5。为使裂纹周围的网格较小,直线L1可分成10段,且首段长度为末段的0.2倍,直线L2、L3、L4均分成八段,直线L5分成两段。通过映射划分的方法得到面网格,并沿法线方向拉伸一个厚度的尺寸形成裂纹体。
第四步中,建立胶层和CFRP的有限元模型的具体操作步骤如下:
为使钢板、胶层和CFRP之间实现节点耦合,钢板和胶层的接触面、胶层和CFRP的接触面网格划分应一致。胶层和CFRP的有限元模型均分为裂纹体和非裂纹体,坐标系沿Z轴正方向移动t胶个单位长度,采用上述第二步方法建立胶层的裂纹体模型,坐标系再次沿Z轴正方向移动tCFRP个单位长度建立CFRP的裂纹体模型。非裂纹体采用自顶向下的建模方法,并进行映射网格划分。
第七步中采用位移外推法计算应力强度因子的具体操作步骤如下:
1、将应变能和体积存储到单元列表中,并选择三组节点位置,由于裂纹尖端设置在原点坐标的位置,因此第一组节点在X和Y方向的位置均为0,第二组和第三组节点位置沿着裂纹方向选取,裂纹处于X轴的负半轴,则该两组节点坐标在X方向均为负。
2、获取三组节点编号,定义路径和路径点,路径点即为上述三组节点位置。
3、用KCALC处理命令后根据位移外推法计算该裂纹的SIF值。
该过程采用裂纹体自底向上和非裂纹体自顶向下相结合的建模方法。对于裂纹体,借助APDL语言进行参数化建模,对控制复杂的计算过程可带来极大的方便。非裂纹体主要用到有限元通用软件前处理实体图形操作命令,通过映射网格划分的方法可实现裂纹体与非裂纹体的节点耦合。
在本发明的另一个实施例中,用CFRP加固表面裂纹的钢结构疲劳裂纹扩展特性。
本实施例属于表面裂纹问题。当裂纹处于钢结构表面时,在载荷的作用下裂纹会向深度方向扩展。本实施例模拟了CFRP加固和未加固两种情况下不同深度裂纹的SIF值,并基于SIF值评估CFRP加固修复钢结构的效果。通常把裂纹延伸到构件厚度一半以上的都视为穿透裂纹,因此裂纹深度最深只需5mm。模型为中心裂纹两端受拉,CFRP覆盖裂纹加固。
采用本发明的方法,由于模型的对称性,只需建立1/4模型。CFRP加固不同深度裂纹的模拟过程主要步骤如下:
1、生成裂纹前缘单元——半圆柱状,由16个单元组成。图3为完整的裂纹前缘单元;
2、定义裂纹长度a=8mm,裂纹深度t=1mm。形成裂纹体采用面网格拉伸的方法,在法线方向上拉伸t=1mm的厚度,该方法集几何模型构建和网格划分于一体,图4为裂纹体的有限元模型;
3、非裂纹体的建立可分为裂纹层和非裂纹层,裂纹层采用自顶向下的建模方法,并进行映射网格划分,非裂纹层运用上述步骤2的方法,拉伸裂纹层的面网格生成体,钢板厚度T=10mm,则非裂纹层在法线方向拉伸的厚度为9mm;
4、对于加固的有限元模型,执行步骤5;对于不加固的有限元模型,转至步骤6;
5、建立胶层和CFRP的有限元模型,为使“钢板-胶层-CFRP”实现节点耦合,如图5所示,三者均采用三维实体单元,且三者之间在接触面的网格划分完全一致,t胶=0.5mm,tCFRP=1.4mm;
6、创建宏文件,对裂纹前缘单元进行奇异化处理。裂纹前缘单元经奇异化处理之后,可明显看出其颜色变黑;
7、由于建立的是1/4模型,在左端面上应施加X方向的对称面约束,在下端面上除裂纹位置外应施加Y方向的对称面约束,并限制在Z方向上的全约束,上端面上施加均匀面拉伸载荷100MPa;
8、存储应变能和体积在单元列表中,第一组节点在X和Y方向的位置为0,第二组节点位置在X方向从-0.3~-0.4,第三组节点位置在X方向从-0.5~-0.6。获取三组节点编号,定义路径和路径点,路径点与上述三组节点位置相对应。最后用KCALC后处理命令计算该裂纹深度下的SIF值。
9、改变裂纹深度,t=t+1mm,重复步骤1~8,直到t=5mm时停止运算。
如图6所示,是CFRP加固不同深度裂纹的钢结构SIF值。计算结果表明,随着裂纹深度的增加,SIF值变大,且加固后的SIF值明显小于未加固的情况。裂纹越浅,加固效果越明显,如t/T=0.1时,SIF减小量大于50%,而t/T=0.5时,SIF减小量约为40%。计算结果显示,对于表面裂纹的加固均有明显的效果,加固后SIF值明显减小。本发明可与试验方法相结合,指导试验,在试验中可得到疲劳裂纹扩展速率曲线,根据该曲线反推Paris公式中的参数c和m,再利用Paris公式计算得到仿真的疲劳裂纹扩展速率曲线,将仿真结果与试验结果对比,可验证试验的正确性。
在本发明的另一个实施例中,用CFRP加固I型裂纹的钢结构疲劳裂纹扩展特性。
前一个实施例模拟的是表面裂纹在深度方向的扩展特性,而在实际情况下,裂纹也会朝着长度方向扩展。通常把裂纹延伸到构件厚度一半以上的都视为穿透裂纹,即使是表面裂纹,也可根据等K变换将表面裂纹换算成某深度的穿透裂纹,穿透裂纹中的I型裂纹在实际应用中最普遍,对该类裂纹扩展的研究是安全系数较高的一种方法。本实施例构建I型裂纹的有限元模型,模拟不同长度裂纹的扩展特性。模型为中心裂纹两端受拉,CFRP覆盖裂纹加固。
采用本发明的方法,由于模型的对称性,只需建立1/4模型。CFRP加固不同长度裂纹的模拟过程主要步骤如下:
1、生成裂纹前缘单元,单个裂纹前缘单元的角度仍设置为11.25°,在对称模型下的裂纹前缘单元总数为16,通过复制单元操作完成;
2、定义裂纹初始长度a=10mm,拉伸面网格生成裂纹体,裂纹体在法线方向的拉伸厚度T=10mm;
3、I型裂纹有限元模型的非裂纹体相对简单,所有非裂纹体均处于裂纹层,采用自顶向下的方法建立有限元模型,控制非裂纹体直线的尺寸实现与裂纹体的节点耦合;
4、对于加固的有限元模型,执行步骤5;对于不加固的有限元模型,转至步骤6;
5、坐标系沿Z轴正方向移动t胶=0.5mm个单位长度,使坐标原点处于钢板与胶层的接触面上,运用步骤2和步骤3的方法建立胶层的有限元模型。坐标系再沿Z轴正方向移动tCFRP=1.4mm个单位长度建立CFRP的有限元模型;
6、创建宏文件,对裂纹前缘单元进行奇异化处理;
7、分别在左端面和下端面施加X和Y方向的对称面约束,在Y方向的对称面约束位于下端面除裂纹的其它部位,限制Z方向的全约束,在上端面施加100MPa的拉伸载荷进行求解;
8、采用位移外推法求解不同裂纹长度应力强度因子,与上例所述方法一致;
9、改变裂纹长度,a=a+10mm,重复步骤1~8,直到a=60mm时停止运算。
如图7所示,是本实施例的计算结果。与前一个实施例相比,穿透裂纹的SIF值明显比表面裂纹大,随着裂纹长度的增加,SIF值变大,裂纹扩展规律合理。对于不同长度的裂纹,CFRP加固后的SIF值均有所减小。本实施例可指导试验,验证其正确性,大大降低了成本。
前面两个实施例,代表了两种不同类型的三维裂纹扩展问题,表面裂纹和I型裂纹是存在最广泛研究最多的两类裂纹,对该两类裂纹疲劳裂纹扩展特性的仿真具有很大的实用性,可指导试验的开展。对于该两类裂纹,在整个有限元模型的建立过程中,运用的方法及APDL语言基本相同,仅需做局部的改动。CFRP加固钢结构的有限元模型仅需在未加固的模型上建立胶层和CFRP的有限元模型,胶层和CFRP有限元模型的建立与钢板的方法相同,所采用的APDL语言通用性强,可应用在不同的有限元模型。
本发明基于有限元思想提出了一种根据SIF值评估CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展特性的通用仿真技术,该技术将作为试验指导的一种有力工具。
如图8所示,本发明实施例的基于SIF值评估CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展特性的***用于实现本发明实施例的基于SIF值评估CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展特性的方法,包括:
模型建立单元801,用于生成裂纹前缘单元,定义裂纹初始尺寸,形成裂纹体;并根据形成的裂纹体建立非裂纹体的有限元模型;
裂纹处理单元802,用于判断有限元模型是否加固,若进行了加固,则在有限元模型上建立胶层和CFRP的有限元模型,并创建宏文件,对裂纹前缘单元进行奇异化处理;若未进行加固,则直接创建宏文件,并对裂纹前缘单元进行奇异化处理;
SIF值求解单元803,用于对有限元模型施加载荷约束,并采用位移外推法求解该裂纹长度所对应的SIF值;
结果输出单元804,用于判断是否满足裂纹尺寸设定,若满足尺寸设定,则改变裂纹初始尺寸,重复以上单元的处理过程;若不满足尺寸设定,则输出加固和未加固的两组有限元模型的不同尺寸裂纹对应的SIF值。
应当理解的是,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于SIF值评估CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展特性的方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、生成裂纹前缘单元,定义裂纹初始尺寸,形成裂纹体;并根据形成的裂纹体建立非裂纹体的有限元模型;
S2、判断有限元模型是否加固,若进行了加固,则在有限元模型上建立胶层和CFRP的有限元模型,“钢板-胶层-CFRP”实现节点耦合并创建宏文件,对裂纹前缘单元进行奇异化处理;若未进行加固,则直接创建宏文件,并对裂纹前缘单元进行奇异化处理;
S3、对有限元模型施加载荷约束,并采用位移外推法求解该裂纹长度所对应的SIF值;
S4、判断是否满足裂纹尺寸设定,若满足尺寸设定,则改变裂纹初始尺寸,重复执行步骤S1-S3;若不满足尺寸设定,则输出加固和未加固的两组有限元模型的不同尺寸裂纹对应的SIF值。
2.根据权利要求1所述的基于SIF值评估CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展特性的方法,其特征在于,步骤S1中生成裂纹前缘单元的具体方法为:
将当前坐标系转换为柱坐标系,确定裂纹前缘单元的角度和数量,对每个裂纹前缘单元建立多个节点,并对节点进行编号,根据建立的多个节点生成单个裂纹前缘单元。
3.根据权利要求2所述的基于SIF值评估CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展特性的方法,其特征在于,步骤S1中裂纹前缘单元的角度为11.25°,数量为16个。
4.根据权利要求1所述的基于SIF值评估CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展特性的方法,其特征在于,步骤S1中形成裂纹体的具体方法为:
采用通用程序建模的布尔运算命令,生成裂纹前缘附近的二维模型及其它部分的模型,划分网格时,将二维模型的四条弧线和三条半径方向的直线均分成八段,其它部分的模型中含五条直线,从右下方开始沿逆时针方向依次为:L1、L2、L3、L4、L5,为使裂纹周围的网格较小,直线L1可分成10段,且首段长度为末段的0.2倍,直线L2、L3、L4均分成八段,直线L5分成两段,通过映射划分的方法得到面网格,并沿法线方向拉伸一个厚度的尺寸形成裂纹体。
5.根据权利要求1所述的基于SIF值评估CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展特性的方法,其特征在于,步骤S2中“钢板-胶层-CFRP”实现节点耦合的具体方法为:
将钢板和胶层的接触面以及胶层和CFRP的接触面之间的网格划分一致,胶层和CFRP的有限元模型均分为裂纹体和非裂纹体,将坐标系沿Z轴正方向移动建立胶层的裂纹体模型,并再将坐标系沿Z轴正方向移动建立CFRP的裂纹体模型,非裂纹体采用自顶向下的建模方法,并进行映射网格划分。
6.根据权利要求1所述的基于SIF值评估CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展特性的方法,其特征在于,步骤S3中采用位移外推法计算应力强度因子的具体操作步骤如下:
将应变能和体积存储到单元列表中,并选择三组节点位置,设置第一组节点在X和Y方向的位置均为0,第二组和第三组节点位置沿着裂纹方向选取,裂纹处于X轴的负半轴,且该两组节点坐标在X方向均为负;获取三组节点编号,定义路径和路径点,路径点即为上述三组节点位置;用KCALC处理命令后根据位移外推法计算该裂纹的SIF值。
7.一种基于SIF值评估CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展特性的***,其特征在于,包括:
模型建立单元,用于生成裂纹前缘单元,定义裂纹初始尺寸,形成裂纹体;并根据形成的裂纹体建立非裂纹体的有限元模型;
裂纹处理单元,用于判断有限元模型是否加固,若进行了加固,则在有限元模型上建立胶层和CFRP的有限元模型,并创建宏文件,对裂纹前缘单元进行奇异化处理;若未进行加固,则直接创建宏文件,并对裂纹前缘单元进行奇异化处理;
SIF值求解单元,用于对有限元模型施加载荷约束,并采用位移外推法求解该裂纹长度所对应的SIF值;
结果输出单元,用于判断是否满足裂纹尺寸设定,若满足尺寸设定,则改变裂纹初始尺寸,重复以上单元的处理过程;若不满足尺寸设定,则输出加固和未加固的两组有限元模型的不同尺寸裂纹对应的SIF值。
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