大型液压机是一类应用广泛的机械装备,横梁作为其主要结构部件,要承受全部的工作载荷,由于结构的不连续性,内部往往存在局部高应力区,甚至发生局部塑性变形。工作过程中横梁所承受载荷通常具有循环交变特征,在其局部塑性变形区内有可能出现棘轮效应、包申格效应及循环软硬化等现象。棘轮效应的产生会使塑性变形不断循环累积,加剧设备失效进程,在结构设计和寿命评估中不可忽视。因此,深入研究液压机横梁常用结构材料在循环载荷作用下的力学响应特性,准确预测其变形行为及演化趋势对于提高液压机本体的设计水平具有重要的理论意义和工程应用价值。针对液压机焊接结构横梁常用材料Q235钢,应用Instron8801电液伺服疲劳实验机进行了多水平单级对称应变和非对称应变循环加载实验,以及幅值递增和递减的多级对称应变循环加载实验。探究了在应变循环控制模式下Q235钢的力学响应特性,分析了屈服平台、屈服应力、滞回曲线、包申格效应、循环软硬化等力学特性在不同加载方式下的演化规律,并建立了相应的预测模型。研究表明,Q235钢在不同应变循环加载条件下表现出不同的循环软硬化特性,但无论在哪种条件下,其循环软硬化速率都会在经历一定的循环次数后达到一个非零稳定值,并且该值在正向和反向加载时基本不变;包申格效应会随应变幅值的减小而增大,也在循环次数达到一定值后趋于稳定。进行了平均值为正值和负值的单级非对称应力循环加载实验,带载荷保持时间和预变形的单级应力循环拉伸-卸载实验,以及带历史载荷的多级应力循环加载实验。研究了应力幅值、应力均值、变形历史、载荷保持时间、预变形等因素对力学响应特性的影响规律,分析了棘轮效应发生的条件,以及滞回曲线、棘轮效应、包申格效应、软硬化等力学特性随应力循环载荷的演化规律,并建立了相应的预测模型。研究表明,在外加循环载荷的应力峰值大于下屈服极限时即会产生棘轮效应,棘轮效应始发的周次与外加应力载荷峰值的大小有关,加载历史会对循环响应特性产生明显的影响,但随着循环次数的增加,其影响逐步淡化。在系统分析Q235钢滞回曲线及棘轮效应演化特性的基础上,构建了一种即能对任意形态应力应变滞回曲线进行描述,又能对棘轮应变演化过程做出准确预测的循环弹塑性本构模型。该模型可退化为Prager模型、A-F模型、Bower模型、A-V模型,也可形成上述模型的不同组合。给出了模型中背应力的全量解析式,提出了模型参数的确定方法,探讨了参数对模型预测结果的影响规律。通过二次开发将本构模型嵌入到商业有限元软件中,可进行材料和结构的循环力学响应分析。通过对多种工况下单轴循环加载实验的模拟分析与对比,验证了本构模型对材料棘轮效应预测的准确性。以某大型液压机下横梁为原型,设计制备了一个存在局部高应力区的1:14缩比简化箱型结构,基于电测法和散斑法两套测量系统,搭建了箱型结构循环加载测试实验平台。通过对比分析数值模拟和实验数据,进一步验证了所建本构模型对箱型结构在循环载荷作用下力学响应特性的预测能力。