背景简介

在抗震钢结构（SRSS）中，变形控制构件需在经历不到一百次高非弹性应变幅循环后才会发生断裂，这种现象被称为超低周疲劳（ULCF）诱导断裂。为保证抗震性能，焊接连接必须始终保持在弹性阶段，直至变形控制构件达到其设计的非弹性响应水平；连接或构件提前发生ULCF断裂将显著削弱结构吸收地震能量的能力。因此，准确预测延性断裂起始点（DFI）对于焊接连接和母材的抗震设计至关重要。

现有针对焊接件DFI预测的非耦合模型研究大多集中于美国、欧洲、中国和澳大利亚生产的结构钢及其焊缝，且主要针对低强度钢（fy ≤ 350 MPa）的相同焊缝配置，对印度结构钢、异种钢焊接配置以及高强度钢（fy ≥ 450 MPa）焊缝的DFI预测研究尚属空白。由于不同国家结构钢化学成分、力学性能及生产工艺（淬火回火QT、热机械控制工艺TMCP）的差异，现有模型的标定参数无法直接套用于印度结构钢及其焊缝。

本研究针对这一空白，选用三种印度结构钢（E250、E350、E450）制备了五种对接焊缝配置：三种相同钢种配置（E250-E250、E350-E350、E450-E450）和两种异种钢配置（E250-E350、E250-E450），在固定应力三轴度T=1、Lode角参数ξ从0到1的高应力三轴度应力状态范围内，建立ULCF断裂轨迹数据库，并标定作者此前提出的CELVGM模型及五种现有非耦合DFI预测模型（CVGM、CCVGM、MKK、SWDFM、CSWDFM），比较其预测效能。

成果介绍

（1）设计了缺口试样，并完成了应力状态覆盖。为在固定T=1条件下获得0 ≤ ξ ≤ 1的完整Lode角参数范围，研究设计了三种缺口试样构型：周向缺口（C型，T=1，ξ=1）、单边或平面槽形缺口（G型，T=1，ξ=0）和双边矩形槽形缺口（R型，T=1，0 ≤ ξ ≤ 1）。图1a展示了宏观腐蚀后焊缝试样表面，清晰区分母材（BM）、热影响区（HAZ，宽3-4 mm）和焊缝金属（WM）三个区域；图1b标明了试样在焊缝中的取样方向和位置（纵向L、横向T）；图1c给出了三种缺口构型（C、G、R）的详细尺寸标注定义。宏观腐蚀确认所有缺口（无论纵向或横向取样）均位于焊缝金属内部。共54个缺口试样通过电火花线切割加工从五种焊缝中制取，用于ULCF加载试验。

图1（a）宏观腐蚀表面图像，（b）样本提取的方向和位置，以及（c）缺口焊缝样本的尺寸

（2）进行了数值模拟与实验载荷-伸长曲线对比验证。图2展示了12组代表性试样的载荷(𝑘𝑁)-缺口伸长(mm)曲线，对比了实验结果（彩色实线）与标定后数值模拟结果（黑色虚线FEM），涵盖了C、G、R三种缺口构型在CTF（循环至断裂）和CPTF（循环后拉伸至断裂）两种加载方案下的响应。结果显示数值模拟与实验数据高度吻合，验证了组合硬化模型自由参数标定的准确性，为后续提取应力三轴度T、Lode参数和等效塑性应变（PEEQ）历程提供了可靠的数值基础。

图2 ULCF 实验和数值分析获得的载荷 (𝑘𝑁) 与缺口伸长率 (mm) 结果的比较

（3）利用标定后的数值模型，完成了断裂临界节点的识别。沿缺口截面中线节点提取了等效应力三轴度Teq和PEEQ随归一化截面位置的分布（图3），用以确定断裂起始的临界节点。结果显示：对于C型（周向）和R型（矩形槽）试样，截面几何中心通常对应Teq和PEEQ的极值，是断裂起始的临界节点；而对于G型（平面槽）试样，临界区域则从截面一端延伸至另一端，呈现较平坦的高应力区。这一现象与已有DFI预测文献的结论一致。

图3 𝑇_𝑒𝑞和𝑃𝐸𝐸𝑄沿着经受 ULCF 处理的焊缝试样横截面的变化

（4）解释了延性断裂轨迹与PEEQ层级规律。基于54个试样提取的临界Teq、ξeq/Lpeq及PEEQ值构建了二维断裂轨迹（图4a：Teq vs. PEEQ），整体呈现PEEQ随Teq增大而下降的趋势。图4b显示，纵、横向取样对22和24配置的平均PEEQ差异极小（约0.1），但对33、44、23配置差异显著（约1.6）。图4c-f进一步从缺口几何和加载方案角度细化了PEEQ层级规律：按缺口几何观察，PEEQ总体呈C≥G≥R的顺序；按焊缝配置观察，平均PEEQ层级为E250-E450（3.55）> E250-E350（3.2）> E250-E250（2.8）> E350-E350（2.7）> E450-E450（1.73），表明异种钢焊缝（尤其是低强度母材搭配高强度母材）的延性断裂抗性优于同种高强钢焊缝。

图4 (a) 经受 ULCF 处理的焊缝金属试样的断裂轨迹，平均 PEEQ 变化 (b) 基于与试样提取方向分离的焊件尺寸； (c) 基于与样本符号分离的焊件尺寸； (d) 基于与焊件配置分开的样本尺寸； (e) 与(d)相同，按升序排列； (f) 与(e)相同，用样本尺寸分隔并按升序排列

（5）进行误差数据集偏度分析，并运用数据驱动预测计算（DDPC）方法，研究计算了六种非耦合断裂模型（CVGM、CCVGM、MKK、SWDFM、CSWDFM、CELVGM）在不同自由参数组合下的平均误差εa和中位误差εm，并对误差数据集进行了偏度（S）、峰度（K）和p值分析（图5以CVGM-23和SWDFM-33为代表）。结果显示：90%的εa数据集和100%的εm数据集均呈现右偏分布特征（核密度估计曲线呈现长右尾），表明误差均值易受极端值干扰，中位数更能反映模型的真实预测精度。基于此，研究提出DDPC方法，用中位误差εm替代传统的平均误差εa作为最终预测误差指标。

图5 核密度估计 (KDE) 的表示图和频率计数直方图及其统计形状分布度量（平均值、中位数、偏度、峰度和𝑝值），(a) CVGM-23 和 (b) SWDFM-33

致谢

该实验工作得到了科学与工程研究委员会（SERB）、印度政府科学技术部的法定机构[拨款号 - CRG/2022/003563]和教育部（MoE）通过第一作者的研究助理的经费支持。作者感谢资助机构的支持。作者还感谢 Pyrodynamics 的 Abhishek G 提供的技术支持。本文第一作者：Tamilselvan Nambirajan（Indian Institute of Technology Roorkee），通讯作者：P.C. Ashwin Kumar（Indian Institute of Technology Roorkee）。

本期小编 唐 瑞（整理）

周子尧 （校对）

舒 阳 （审核）

董乃健 （发布）