CN115310333A - 考虑腐蚀疲劳耦合作用的腐蚀疲劳寿命预测方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑腐蚀疲劳耦合作用的腐蚀疲劳寿命预测方法和系统，包括：建立寿命预测的有效应力强度因子幅值库与其余计算所需参数。通过已知值队和线性插值法求得任意裂缝宽度下的有效应力因子幅值。联合采用裂纹分析软件与有限元软件对栓钉连接件在疲劳扩展过程中的应力强度因子进行求解。在试验室进行各参数条件组合下的腐蚀疲劳试验，通过数值分析，得到试验构件的腐蚀速率函数。对有效应力强度因子幅值调整后进行腐蚀疲劳寿命的预测。通过离散子步法逐步修正有效应力强度因子幅值，最后进行腐蚀疲劳寿命预测。本发明的优点是：将腐蚀与疲劳耦合作用对结构性能的影响考虑在内，其误差平均为25％。

Description

考虑腐蚀疲劳耦合作用的腐蚀疲劳寿命预测方法和系统

技术领域

本发明涉及工程力学技术领域，特别涉及一种考虑腐蚀疲劳耦合作用的腐蚀疲劳寿命预测方法和系统。

背景技术

线弹性断裂力学指出疲劳裂纹扩展速率呈三阶段发展规律:低速率区裂纹扩展速率随应力强度因子幅度的减小急速减小；中速率区

与ΔK有良好的对数线性规律，可用Paris公式描述；高速率区裂纹扩展速率较大，对疲劳寿命几乎无贡献，可忽略不计。当裂纹扩展速率处于低速率区时，可用Paris公式描述

与ΔK的对应关系。腐蚀疲劳耦合作用下，

曲线较纯疲劳情况有差异，这种差异经修正后即可有效预测腐蚀疲劳耦合作用下试件的腐蚀疲劳寿命。

现有技术一

郑祥隆,谢旭,李晓章,钱利芹&申永刚.(2017).钢丝裂纹扩展估算模型及其在预腐蚀疲劳寿命计算中的应用.土木工程学报(03),101-107.doi:10.15951/j.tmgcxb.2017.03.012；

理论法预测：以疲劳裂纹扩展曲线为基础，结合研究目标腐蚀情况确定其应力强度因子幅门槛值ΔK_th、材料参数m、C,拟合出适用于研究目标的疲劳裂纹扩展曲线(图1)。R为应力比，K_c为临界应力强度因子。根据研究目标确定其最大裂纹深度，由式1、2计算得出腐蚀疲劳寿命。

ΔK＝Δσf(a) (2)

现有技术一的缺点

实际情况中，由于腐蚀疲劳之间具有交互作用，其裂纹扩展曲线与原曲线有一定的区别。该方法将腐蚀作用与疲劳作用分开考虑，精确度不高。

现有技术二

Wu Jieqiong,Yang Jian,Zhang Renbo,Jin Liu,Du Xiuli.Fatigue lifeestimating for chloride attacked RC beams using the S-N curve combined withmesoscale simulation of chloride ingress[J].International Journal of Fatigue,2022(prepublish).

试验法预测：对处于腐蚀环境中的研究对象做疲劳试验，绘制出S-N曲线，根据曲线得出特定应力比作用下构件的腐蚀疲劳寿命。

现有技术二的缺点

缩略语和关键术语定义

疲劳裂纹扩展曲线：描述疲劳裂纹长度a与应力强度因子幅ΔK的关系曲线；

S-N曲线：表示一定循环特征下标准试件的疲劳强度与疲劳寿命之间关系的曲线；

da/dN:裂纹扩展速率；

N:荷载循环周次；

ΔK:应力强度因子幅值；

C、m:描述材料裂纹扩展性能的基本参数，由实验确定。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种考虑腐蚀疲劳耦合作用的腐蚀疲劳寿命预测方法。

为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种考虑腐蚀疲劳耦合作用的腐蚀疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：

步骤1，确认基本参数：应力幅Δσ,应力比R,应力强度因子幅门槛值ΔK_th,材料参数C,m,临界裂纹尺寸a_c,腐蚀扩展速率函数f_C(t)。

步骤2，当循环子步中初始裂纹长度a_i-1对应的有效应力强度因子幅值K_eff<ΔK_th时，疲劳裂纹不扩展，裂纹的扩展增量仅由腐蚀溶解速率决定。记裂纹扩展门槛尺寸为a_th，则在腐蚀作用了Δa_th后，裂纹尺寸达到a_th，溶解时长如式1：

Δt_th＝f^-1(a_th)-f^-1(a_i-1) (1)

此后疲劳裂纹开始扩展，按照步骤(4)计算；

步骤3，当循环子步中初始裂纹长度a_i-1对应的K_eff>ΔK_th时，裂纹开始扩展，对应的裂纹扩展起始时间节点为t_i-1，根据腐蚀扩展速率函数有式2：

t_i-1＝f^-1(a_i-1) (2)

在疲劳作用下该子步裂纹扩展长度为

此时总裂纹长度

对应的未修正有效应力强度因子为ΔK′_eff，其所需循环次数为与子步步长分别如式(3)、(4)：

在t_i-1～t_i-1+Δt_i-1时刻内腐蚀作用造成裂纹长度增量如式5：

步骤4，将腐蚀疲劳耦合效应考虑在内，将修正后的效应力强度因子

代替ΔK′_eff,更新寿命及步长分别如式6、7所示：

在疲劳作用下的t_i-1～t_i-1+Δt′_i-1时刻内腐蚀作用造成裂纹长度的扩展增量也更新为式8:

最终得到该子步裂纹长度扩展量为式9:

步骤5，下一个子步的初始裂纹长度为上个循环子步的最终的裂纹长度，重复步骤3和4的计算，运用循环累加法，循环计算得到当裂纹长度达到a＝a_c时所对应的载荷循环次数，通过公式10:

N_CF＝∑N′_F (10)

得到为腐蚀疲劳裂纹扩展总寿命N_CF。

进一步地，所述腐蚀疲劳寿命预测方法应用于具有金属构件且与腐蚀环境相接触的工业产品领域。对于不同的结构，只需计算出材料裂纹扩展性能的材料参数即可完成腐蚀疲劳寿命预测。

本发明还提供了一种组合结构桥梁的腐蚀疲劳寿命预测系统，包括：

参数录入及生成模块，用于建立寿命预测的有效应力强度因子幅值库与其余计算所需参数。

在参数录入及生成模块中，所述计算参数包括应力幅Δσ,应力比R,应力强度因子幅门槛值ΔK_th,材料参数C,m,临界裂纹尺寸a_c,腐蚀扩展速率函数f_C(t)。

效应力强度因子幅值库生成模块，用于通过已知值队和线性插值法求得任意裂缝宽度下的有效应力因子幅值。

在应力强度因子幅值库生成模块中，联合采用FRANC3D(Fracture Analysis Codefor 3D)裂纹分析软件与ABAQUS有限元软件对栓钉连接件在疲劳扩展过程中的应力强度因子进行求解。

在试验室进行各参数条件组合下的腐蚀疲劳试验，通过数值分析，得到试验构件的腐蚀速率函数。

预测模块，用于对有效应力强度因子幅值调整后进行腐蚀疲劳寿命的预测

在预测模块中，通过离散子步法逐步修正有效应力强度因子幅值，最后进行腐蚀疲劳寿命预测。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

将腐蚀与疲劳耦合作用对结构性能的影响考虑在内，其误差平均为25％，本发明适用于航天、船舶、管网等具有金属构件且与腐蚀环境相接触的工业产品领域。对于不同的结构，只需计算出材料裂纹扩展性能的基本参数即可完成腐蚀疲劳寿命预测，适用性高。

附图说明

图1是本发明实施例普适性腐蚀疲劳寿命预测方法流程图；

图2是本发明实施例加载流程图；

图3是本发明实施例腐蚀疲劳试验结果图；

图4是本发明实施例不同应力比下的有效应力强度因子幅值库示意图；

图5是本发明实施例三个试件的裂纹扩展趋势。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，将裂纹扩展过程划分为若干时间步，将每个子步中耦合作用对有效应力强度因子幅值ΔK_eff的影响等效至疲劳作用下裂纹从a_i-1扩展至

过程中，用

表示子步中腐蚀作用导致的裂纹长度增量，对ΔK_eff进行修正：ΔK_eff、K′_eff与K″_eff分别表示裂纹尺寸为a_i-1、

时所对应的有效应力强度因子幅值，当裂纹长度为

时，将其有效应力强度因子幅修正为式3：

(1)确认基本参数：应力幅Δσ,应力比R,应力强度因子幅门槛值ΔK_th,材料参数C,m,临界裂纹尺寸a_c,腐蚀扩展速率函数f_C(t)。

(2)当循环子步中初始裂纹长度a_i-1对应的有效应力强度因子幅值K_eff<ΔK_th时，疲劳裂纹不扩展，裂纹的扩展增量仅由腐蚀溶解速率决定。记裂纹扩展门槛尺寸为a_th，则在腐蚀作用了Δa_th后，裂纹尺寸达到a_th，溶解时长如式2：

Δt_th＝f^-1(a_th)-f^-1(a_i-1) (2)

此后疲劳裂纹开始扩展，按照步骤(4)计算；

(3)当循环子步中初始裂纹长度a_i-1对应的K_eff>ΔK_th时，裂纹开始扩展，对应的裂纹扩展起始时间节点为t_i-1，根据腐蚀扩展速率函数有式3：

t_i-1＝f^-1(a_i-1) (3)

在疲劳作用下该子步裂纹扩展长度为

此时总裂纹长度

对应的未修正有效应力强度因子为ΔK′_eff，其所需循环次数为与子步步长分别如式4和5：

在t_i-1～t_i-1+Δt_i-1时刻内腐蚀作用造成裂纹长度增量如式6：

(4)将腐蚀疲劳耦合效应考虑在内，将修正后的效应力强度因子

代替ΔK′_eff,更新寿命及步长分别如式7、8所示：

在疲劳作用下的t_i-1～t_i-1+Δt′_i-1时刻内腐蚀作用造成裂纹长度的扩展增量也更新为式9:

最终得到该子步裂纹长度扩展量为式10:

(5)下一个子步的初始裂纹长度为上个循环子步的最终的裂纹长度，重复步骤(3)、(4)的计算，运用循环累加法，循环计算得到当裂纹长度达到a＝a_c时所对应的载荷循环次数，即为腐蚀疲劳裂纹扩展总寿命(式11):

N_CF＝∑N′_F (11)

为了证明本发明的有益效果，下面对本发明方法推出试件进行实验。

本实施例推出试件参考欧洲规范EC4中的标准推出试件，单侧布置一个栓钉，试验设计如表1所示。每组试件包含2个样本，后续试验结果若无特殊说明均为2个样本的平均值。表1中疲劳荷载取值中Pu是通过静力推出试验获得的一组无腐蚀、无疲劳损伤试件的平均极限承载力，取为260kN。

表1

加载与测试

荷载比η为疲劳荷载峰值Fp与试件极限承载力PRd的比值，疲劳加载采用加载频率为4Hz的恒定幅值加载方式，加载荷载峰值、谷值如表1，最低荷载Fv恒为26kN。加载流程如图2所示。

腐蚀疲劳试验中栓钉连接件疲劳裂纹从靠近顶板受压侧开始扩展，在剪应力幅的作用下最终受剪破坏，因此将Ⅱ型应力强度因子幅作为有效应力强度因子幅。基于平面裂纹扩展假设，易知裂纹前沿A点为应力强度因子最大值，以裂纹前沿A点应力强度因子值为参考点，将疲劳裂纹扩展长度变化值等效为Ⅱ型裂纹扩展方向即剪力方向的裂纹长度分量变化范围，即裂纹前沿A点从初始裂纹长度a_0沿着剪力方向扩展至临界断裂裂纹长度a_c。

假设在整个疲劳裂纹扩展过程中栓钉连接件的裂纹形状比例保持不变，结合腐蚀疲劳试验结果(图3)将初始缺陷的裂纹前沿形状取为“半月形”扩展面，并将初始裂纹预置于靠近钢板顶板的焊趾旁0.2mm处。初始裂纹中心径向长度取为0.2mm，最大裂纹深度为0.4mm，最终断裂面尺寸裂纹中心径向长度为4mm，最大裂纹深度为8mm。将该疲劳裂纹扩展过程分为19个子步，每段子步的裂纹扩展长度均为0.4mm，对其每个子步的应力强度因子进行求解，建立有效应力强度因子幅值库。

联合采用FRANC3D(Fracture Analysis Code for 3D)裂纹分析软件与ABAQUS有限元软件对栓钉连接件在疲劳扩展过程中的应力强度因子进行求解。先将有限元模型带入ABAQUS计算再由FRANC3D求得应力强度因子值。不考虑腐蚀效应，将疲劳裂纹扩展过程分为19个子步，每段子步的裂纹扩展长度均为0.4mm，对其每个子步的应力强度因子进行求解，建立不同应力比下的有效应力强度因子幅值库如图4所示。相同裂纹长度，荷载比越大，有效应力强度因子越大；同一荷载比作用下，裂纹的扩展会促增有效应力强度因子幅值。

钢筋混凝土梁进行加速通电锈蚀试验后其最大腐蚀深度的时程变化函数如公式12所示:

式中：A为常数项，取1.6954；B表示当ρ_m为0时对应的初始腐蚀深度；d_max为最大腐蚀深度；D为腐蚀钢筋横截面直径；ρ_m为锈蚀率。设mloss为锈蚀损失质量，根据法拉第定律可知:

由试验试件参数计算得出适用于本文试件的腐蚀溶解速率函数如下式14、15所示：

使用Matlab进行编程。参考BS7608-1993钢结构疲劳设计与评估分别取C与m值为5.21×10^-13N·mm^-3/2与3，对三个栓钉连接件进行腐蚀疲劳寿命计算，得到三个试件的裂纹扩展趋势(图5)与寿命预测值(表2)。在腐蚀疲劳耦合效应作用下，试件的裂纹扩展速率均保持较高的增长率。将理论模型预测数据及试验数据进行对比，腐蚀疲劳寿命预估值较实际值高，但仍处于较接近水平，其详细数据见表2。

表2

本发明还提供了组合结构桥梁的腐蚀疲劳寿命预测系统，包括：

参数录入及生成模块，用于建立寿命预测的有效应力强度因子幅值库与其余计算所需参数。

在参数录入及生成模块中，所述计算参数包括应力幅Δσ,应力比R,应力强度因子幅门槛值ΔK_th,材料参数C,m,临界裂纹尺寸a_c,腐蚀扩展速率函数f_C(t)。

效应力强度因子幅值库生成模块，用于通过已知值队和线性插值法求得任意裂缝宽度下的有效应力因子幅值。

在应力强度因子幅值库生成模块中，联合采用FRANC3D(Fracture Analysis Codefor 3D)裂纹分析软件与ABAQUS有限元软件对栓钉连接件在疲劳扩展过程中的应力强度因子进行求解。

在试验室进行各参数条件组合下的腐蚀疲劳试验，通过数值分析，得到试验构件的腐蚀速率函数。

预测模块，用于对有效应力强度因子幅值调整后进行腐蚀疲劳寿命的预测

在预测模块中，通过离散子步法逐步修正有效应力强度因子幅值，最后进行腐蚀疲劳寿命预测。

上述根据本发明的方法可在硬件、固件中实现，或者被实现为可存储在记录介质(诸如CD ROM、RAM、软盘、硬盘或磁光盘)中的软件或计算机代码，或者被实现通过网络下载的原始存储在远程记录介质或非暂时机器可读介质中并将被存储在本地记录介质中的计算机代码，从而在此描述的方法可被存储在使用通用计算机、专用处理器或者可编程或专用硬件(诸如ASIC或FPGA)的记录介质上的这样的软件处理。可以理解，计算机、处理器、微处理器控制器或可编程硬件包括可存储或接收软件或计算机代码的存储组件(例如，RAM、ROM、闪存等)，当所述软件或计算机代码被计算机、处理器或硬件访问且执行时，实现在此描述的处理方法。此外，当通用计算机访问用于实现在此示出的处理的代码时，代码的执行将通用计算机转换为用于执行在此示出的处理的专用计算机。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种考虑腐蚀疲劳耦合作用的腐蚀疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，确认基本参数：应力幅Δσ,应力比R,应力强度因子幅门槛值ΔK_th,材料参数C,m,临界裂纹尺寸a_c,腐蚀扩展速率函数f_C(t)。

步骤2，当循环子步中初始裂纹长度a_i-1对应的有效应力强度因子幅值K_eff<ΔK_th时，疲劳裂纹不扩展，裂纹的扩展增量仅由腐蚀溶解速率决定。记裂纹扩展门槛尺寸为a_th，则在腐蚀作用了Δa_th后，裂纹尺寸达到a_th，溶解时长如式1：

Δt_th＝f^-1(a_th)-f^-1(a_i-1) (1)

此后疲劳裂纹开始扩展，按照步骤(4)计算；

步骤3，当循环子步中初始裂纹长度a_i-1对应的K_eff>ΔK_th时，裂纹开始扩展，对应的裂纹扩展起始时间节点为t_i-1，根据腐蚀扩展速率函数有式2：

t_i-1＝f^-1(a_i-1) (2)

在疲劳作用下该子步裂纹扩展长度为

此时总裂纹长度

对应的未修正有效应力强度因子为ΔK′_eff，其所需循环次数为与子步步长分别如式(3)、(4)：

在t_i-1～t_i-1+Δt_i-1时刻内腐蚀作用造成裂纹长度增量如式5：

步骤4，将腐蚀疲劳耦合效应考虑在内，将修正后的效应力强度因子

代替ΔK′_eff,更新寿命及步长分别如式6、7所示：

在疲劳作用下的t_i-1～t_i-1+Δt′_i-1时刻内腐蚀作用造成裂纹长度的扩展增量也更新为式8:

最终得到该子步裂纹长度扩展量为式9:

步骤5，下一个子步的初始裂纹长度为上个循环子步的最终的裂纹长度，重复步骤3和4的计算，运用循环累加法，循环计算得到当裂纹长度达到a＝a_c时所对应的载荷循环次数，通过公式10:

N_CF＝∑N′_F (10)

得到为腐蚀疲劳裂纹扩展总寿命N_CF。

2.根据权利要求1所述的腐蚀疲劳寿命预测方法，其特征在于：所述腐蚀疲劳寿命预测方法应用于具有金属构件且与腐蚀环境相接触的工业产品领域。对于不同的结构，计算出材料裂纹扩展性能的材料参数即可完成腐蚀疲劳寿命预测。

3.一种组合结构桥梁的腐蚀疲劳寿命预测系统，其特征在于：包括：

参数录入及生成模块，用于建立寿命预测的有效应力强度因子幅值库与其余计算所需参数。

在参数录入及生成模块中，所述计算参数包括应力幅Δσ,应力比R,应力强度因子幅门槛值ΔK_th,材料参数C,m,临界裂纹尺寸a_c,腐蚀扩展速率函数f_C(t)。

效应力强度因子幅值库生成模块，用于通过已知值队和线性插值法求得任意裂缝宽度下的有效应力因子幅值。

在应力强度因子幅值库生成模块中，联合采用FRANC3D(Fracture Analysis Code for3D)裂纹分析软件与ABAQUS有限元软件对栓钉连接件在疲劳扩展过程中的应力强度因子进行求解。

在试验室进行各参数条件组合下的腐蚀疲劳试验，通过数值分析，得到试验构件的腐蚀速率函数。

预测模块，用于对有效应力强度因子幅值调整后进行腐蚀疲劳寿命的预测

在预测模块中，通过离散子步法逐步修正有效应力强度因子幅值，最后进行腐蚀疲劳寿命预测。

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