CN109471998A - 一种基于三维分形维数的腐蚀疲劳剩余寿命预测方法 - Google Patents

一种基于三维分形维数的腐蚀疲劳剩余寿命预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于腐蚀表面三维分形维数的铝合金结构剩余寿命预测方法，首先通过图像设备获取铝合金结构腐蚀表面形貌，再利用三维分形维数算法计算腐蚀形貌分形维数，最后根据腐蚀形貌分形维数结合铝合金非腐蚀S‑N曲线得到含应力集中铝合金结构剩余疲劳寿命。本发明方法基于铝合金结构实际腐蚀形貌，能够更加准确的反映结构的腐蚀疲劳损伤严重程度。本发明方法无需额外的腐蚀疲劳试验数据，也无需研究腐蚀表明蚀坑的细节尺寸及尺寸概率分布，就可计算得到不同结构形式的腐蚀疲劳剩余寿命，具有通用性好，便于现场使用，计算成本和计算时间低等优点。本发明方法可用于大型结构腐蚀疲劳剩余寿命的现场评估。

Description

一种基于三维分形维数的腐蚀疲劳剩余寿命预测方法
技术领域
本发明属于铝合金结构腐蚀疲劳剩余寿命现场检测计算方法，具体地说，涉及腐蚀形貌三维分形维数现场测量和计算方法，以及基于该分形维数的腐蚀疲劳剩余寿命预测方法。
背景技术
随着中国经济的持续发展，大量在役大型结构存在腐蚀损伤，加速结构疲劳裂纹的萌生和扩展，导致结构提前失效，严重影响使用安全。越来越多的大型设备需要对其腐蚀疲劳损伤及剩余寿命进行评估以确保结构使用安全，由于结构尺寸较大，无法进入实验室进行腐蚀疲劳损伤评估，另一方面，现有国标的腐蚀评定标准较为粗糙且仅仅对腐蚀损伤进行评定，并不涉及腐蚀疲劳损伤，因此需要一种可以通过现场测试预测结构腐蚀疲劳剩余寿命的方法。
目前结构腐蚀疲劳损伤及剩余寿命主要是通过修正系数(C系数)的方法对常规疲劳S-N曲线进行修正后计算得到。该方法需要针对每种腐蚀环境进行大量试验得到修正系数，当腐蚀环境改变后该修正系数不再适用，因此不具有通用性，时间和经济成本较高。
发明内容
本发明提供了基于三维分形维数的腐蚀疲劳剩余寿命计算方法，目的在于提供一种较为经济且快速的，解决对在役金属结构腐蚀疲劳损伤的现场测量、损伤评估及剩余寿命计算的方法，提高结构使用安全性和可维护性。该方法首先通过手持式图像采集设备获取危险部位腐蚀形貌，再利用本发明提供的计算方法计算得到腐蚀形貌的三维分形维数，最后基于该三维分形维数结合本发明中的公式计算得到结构件腐蚀疲劳剩余寿命及其概率分布。
本发明的技术方案为：一种基于三维分形维数的腐蚀疲劳剩余寿命预测方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：获取腐蚀形貌
通过图像设备获取结构疲劳危险区域腐蚀形貌三维图像并保存
步骤2：基于腐蚀形貌轮廓线计算三维分形维数
步骤2.1计算腐蚀形貌轮廓线分形维数
从腐蚀形貌三维图形中提取n条轮廓线并计算获得轮廓线分形维数FL
步骤2.2计算腐蚀形貌三维分形维数
由轮廓线分形维数FL根据式(1)计算得到整个腐蚀区域的三维分形维数
步骤3：计算KT＝1情况的腐蚀疲劳剩余寿命
无应力集中腐蚀疲劳剩余寿命可根据式(2)结合三维分形维数FA计算得到，在计算前需通过实验获取材料常数a和bσ0。
lg FA＝a lg N+bσ0 (2)
需要说明的是，对于同一种材料，仅需测得材料常数a和bσ0一次即可，后续再次对该类材料计算时可直接使用该材料常数，无需重新测试。
由三维分形维数FA,材料常数a和bσ0采用式(2)即可得到非缺口件腐蚀疲劳剩余寿命。
步骤4：计算腐蚀疲劳缺口系数
步骤4.1计算腐蚀应力集中系数
腐蚀应力集中系数可根据式(3)结合三维分形维数FA计算得到，在计算前需通过实验获取材料常数α和β。
lg KTc＝αlg FA+β (3)
需要说明的是，对于同一种材料，仅需测得材料常数α和β一次即可，后续再次对该材料计算时可直接使用该材料常数，无需重新测试。
由三维分形维数FA,材料常数α和β采用式(3)即可得到腐蚀应力集中系数。
步骤4.2计算腐蚀疲劳缺口系数
由式(4)结合腐蚀应力集中系数计算得到腐蚀疲劳缺口系数
需要说明的是，对于同一种材料，仅需测得材料常数ap和ρ一次即可，后续再次对该材料计算时可直接使用该材料常数，无需重新测试。
步骤5：计算应力集中部位腐蚀疲劳剩余寿命
应力集中部位腐蚀疲劳剩余寿命可根据式(5)结合腐蚀疲劳缺口系数计算得到
lg Nnc＝c+d lg(KfcSnc) (5)
式中变量Nnc即为含应力集中结构的腐蚀疲劳剩余寿命。
相比于现有方法，该发明的有益之处是：腐蚀疲劳损伤的评定是根据现场实测的三维腐蚀形貌，而非根据实验室内的加速腐蚀实验拟合曲线计算得到，能够更加准确的体现结构当前真实腐蚀状态。本发明方法不需要每次针对各结构腐蚀环境进行腐蚀疲劳试验，不需要针对实验件进行破坏观测，仅通过各牌号材料的材料常数即可计算腐蚀疲劳剩余寿命，具有通用性，大幅降低计算时间和经济成本，可现场实施操作等优点。
附图说明
图1整体流程图
图2腐蚀形貌曲线图
图3非缺口件腐蚀疲劳剩余寿命计算结果
图4腐蚀疲劳缺口系数
图5缺口件腐蚀疲劳剩余寿命
具体实施方式
下面首先将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；然后，通过一个具体的实例介绍本发明的技术方案。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明的整体流程图。
步骤1：获取腐蚀形貌
通过图像设备获取结构疲劳危险区域腐蚀形貌三维图像并保存
步骤2：基于腐蚀形貌轮廓线计算三维分形维数
步骤2.1计算腐蚀形貌轮廓线分形维数
从腐蚀形貌三维图形中提取等间隔的n条轮廓线并计算获得轮廓线分形维数FL，计算公式如下：
可知轮廓线间隔越小，计算精度越高。
步骤2.2计算腐蚀形貌三维分形维数
由轮廓线分形维数FL根据式(1)计算得到整个腐蚀区域的三维分形维数
步骤3：计算无应力集中(KT＝1)情况的腐蚀疲劳剩余寿命
无应力集中腐蚀疲劳剩余寿命可根据式(2)结合步骤三维分形维数FA计算得到，在计算前需通过实验获取材料常数a和bσ0。
lg FA＝a lg N+bσ0 (2)
需要说明的是，对于同一种材料，仅需测得材料常数a和bσ0一次即可，后续再次对该类材料计算时可直接使用该材料常数，无需重新测试。
步骤4：计算腐蚀疲劳缺口系数
步骤4.1计算腐蚀应力集中系数
腐蚀应力集中系数可根据式(3)结合三维分形维数FA计算得到，在计算前需通过实验获取材料常数α和β。
lg KTc＝αlg FA+β (3)
需要说明的是，对于同一种材料，仅需测得材料常数α和β一次即可，后续再次对该材料计算时可直接使用该材料常数，无需重新测试。
由三维分形维数FA,材料常数α和β采用式(3)即可得到腐蚀应力集中系数。
步骤4.2计算腐蚀疲劳缺口系数
由式(4)结合腐蚀应力集中系数计算得到腐蚀疲劳缺口系数
需要说明的是，对于同一种材料，仅需测得材料常数ap和ρ一次即可，后续再次对该材料计算时可直接使用该材料常数，无需重新测试。
步骤5：计算应力集中部位腐蚀疲劳剩余寿命
应力集中部位腐蚀疲劳剩余寿命可根据式(5)结合腐蚀疲劳缺口系数计算得到
lg Nnc＝c+d lg(KfcSnc) (5)
式中变量Nnc即为含应力集中结构的腐蚀疲劳剩余寿命。
接下来通过一个工程实例说明本发明在无应力集中和有应力集中时的计算方案。
工程实例：
由于疲劳测试属于破坏性测试，不可能对整个机体结构进行破坏性试验，因此实验数据来源于含腐蚀损伤LC4CS材料加工得到的试件，其中腐蚀损伤由不同的腐蚀时间决定，腐蚀疲劳试验见表2。
首先通过图像设备测得腐蚀形貌，根据式(1)计算得到腐蚀形貌的三维分形维数，部分计算结果见表1。
表1腐蚀形貌三维分形维数
根据式(2)和腐蚀形貌三维分形维数计算得到非缺口试件腐蚀疲劳剩余寿命，计算结果见图3。
由腐蚀形貌三维分形维数和式(3)及(4)可计算得到腐蚀疲劳缺口系数，计算结果见图4。
由图3和图5数据以及式(5)可计算得到缺口件腐蚀疲劳剩余寿命，计算结果见图5。
由图3-图5可知，本方法计算结果与实验测试结果吻合良好，表明本方法可以根据腐蚀形貌图像计算含应力集中和不含应力集中结构的腐蚀疲劳剩余寿命，通过手持图像设备，即可用于大型结构腐蚀疲劳剩余寿命的现场评估。
表2腐蚀疲劳试验结果

Claims (1)

1.一种基于三维分形维数的腐蚀疲劳剩余寿命预测方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：获取腐蚀形貌
通过图像设备获取结构疲劳危险区域腐蚀形貌三维图像并保存；
步骤2：基于腐蚀形貌轮廓线计算三维分形维数
步骤2.1计算腐蚀形貌轮廓线分形维数
从腐蚀形貌三维图形中提取n条轮廓线并计算获得轮廓线分形维数FL；
步骤2.2计算腐蚀形貌三维分形维数
由轮廓线分形维数FL根据式(1)计算得到整个腐蚀区域的三维分形维数
步骤3：计算KT＝1情况的腐蚀疲劳剩余寿命
无应力集中腐蚀疲劳剩余寿命可根据式(2)结合三维分形维数FA和材料常数a和bσ0计算得到，
lg FA＝alg N+bσ0 (2)；
步骤4：计算腐蚀疲劳缺口系数
步骤4.1计算腐蚀应力集中系数
腐蚀应力集中系数可根据式(3)结合三维分形维数FA，材料常数α和β计算得到，
lg KTc＝αlg FA+β (3)；
步骤4.2计算腐蚀疲劳缺口系数
由式(4)结合腐蚀应力集中系数计算得到腐蚀疲劳缺口系数
步骤5：计算应力集中部位腐蚀疲劳剩余寿命
应力集中部位腐蚀疲劳剩余寿命可根据式(5)结合腐蚀疲劳缺口系数计算得到
lg Nnc＝c+d lg(KfcSnc) (5)；
式中变量Nnc即为含应力集中结构的腐蚀疲劳剩余寿命。
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