CN116306153B - 一种基于三维点云的锈后钢板疲劳寿命计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于三维点云的锈后钢板疲劳寿命计算方法，属于材料腐蚀技术领域，本专利通过扫描锈后试件表面点云，将真实点云插值为锈蚀深度矩阵，预先建立不考虑锈蚀影响的基础裂纹有限元分析模型，将锈蚀深度矩阵赋值到模型表面节点，得到具有真实锈蚀形貌的有限元模型，进而计算其裂纹周边的应力强度因子，从而确定裂纹开展方向，利用Paris相关公式进行疲劳寿命预测。其模型生成方法简单，且基础裂纹模型可重复利用，具有较高的实用价值。
Description
技术领域
本发明属于材料腐蚀技术领域，具体涉及一种基于三维点云的锈后钢板疲劳寿命计算方法。
背景技术
土木工程领域中，钢是目前世界运用的最广泛的建筑材料之一，但由于钢构件在各种环境中的锈蚀，削弱了钢构件的截面面积，降低了钢构件的拉伸强度，且由于点蚀所造成的局部深度分布不匀，容易造成应力集中，降低构件的疲劳强度。钢材的疲劳现象指在钢材经过荷载长时间周期作用而导致断裂强度远低于屈服强度的现象。其发展时间长、破坏时间短，是威胁钢结构安全的主要问题之一。而因为材料疲劳寿命本身的随机性，材料锈蚀形貌的随机性，使锈蚀构件疲劳寿命预测成为至今没有解决的问题。
实际试件疲劳试验花费时间长，资金投入大，且试验结果具有较强的随机性。因此疲劳试件的数值模拟作为辅助预测手段是具有合理性的。
常见的锈蚀钢板疲劳寿命数值模拟方法分为以下三种，一种如专利CN 10423462A，利用扫描点云数据，计算缺口曲率，利用有限元方法计算缺口的平均应力，修正后通过局部应力应变法计算疲劳寿命；一种如专利CN 115422649 A，进行实际锈后构件的疲劳试验，得到其真实应力场，有限元模拟中通过修改疲劳荷载加载幅的幅值和位置，得到与其相近的应力场，作为其寿命预测的依据；一种如专利CN 113177272 B，通过将表面点云逆向生成为曲面模型，转换为实体文件后网格划分导入有限元计算应力场，结合Fe-safe完成疲劳寿命预测。
在公开的以上三种方法中，都无法解决在缺口处出现奇异应力时，如试件已经出现裂纹时的疲劳试件寿命预测。且局部应力应变法在高周疲劳中与试验结果本身差距较大；通过锈蚀试件试验调整数值模型参数的方法在面对其他形状大小的试件时，所得参数难以评估有效性；通过逆向生成曲面模型进行网格划分计算的方法，在生成精确的NURBS曲面，网格划分时需要一例一做，花费大量时间。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于三维点云的锈后钢板疲劳寿命计算方法，通过扫描锈后试件表面点云，将真实点云插值为锈蚀深度矩阵，预先建立不考虑锈蚀影响的基础裂纹有限元分析模型，将锈蚀深度矩阵赋值到模型表面节点，得到具有真实锈蚀形貌的有限元模型，进而计算其裂纹周边的应力强度因子，从而确定裂纹开展方向，利用Paris相关公式进行疲劳寿命预测。其模型生成方法简单，且基础带裂纹模型可重复利用，具有较高的实用价值。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于三维点云的锈后钢板疲劳寿命计算方法，对于未知裂纹位置的锈后钢板，其疲劳寿命计算步骤如下：
A1：获取锈后钢板表面点云；
A2：表面点云降噪，除杂，插值为锈蚀深度矩阵；
A3：建立有限元静力拉伸计算基础模型M1；
A4：锈蚀深度矩阵赋值到基础模型M1的表面单元上，得到真实表面有限元静力计算模型M2，计算其应变集中区域及应力集中区域；
A5：预测其裂纹萌生区域位置设置Seam，其Seam可接近锈坑轮廓设置，生成有限元裂纹计算基础模型M3；
A6：将锈蚀深度矩阵赋值到M3的表面单元上，得到应力强度因子有限元计算模型M4，计算裂纹尖端的应力强度因子(SIF，Stress intensity factor)；
A7：通过Paris公式及其相关公式进行疲劳寿命计算。
进一步，步骤A1中，利用激光扫描技术来获取锈后钢板表面点云，分析精度小于锈坑尺度。
进一步，锈蚀深度矩阵的网格密度由步骤A3和步骤A5中的模型M1，M3的表面网格精度确定。
进一步，利用所述M1和M3模型，通过过渡化网格技术提高分析速度。
进一步，所述M1和M3的网格划分均采用C3D20R六面体单元，可通过代码修改其节点距离，生成相近形状，或无太大曲率变化的相似构件模型。
进一步，在未知裂纹位置及尺寸时，通过步骤A4预测裂纹发生位置，在步骤A5中的预制Seam的轮廓尽可能接近裂纹萌生的锈坑轮廓，并尽量接近该锈坑。
进一步，采用Paris公式计算裂纹扩展速率，在多个离散的裂纹长度进行步骤A5-A7的重复计算，计算出该试件的疲劳寿命，所述Paris公式为：
式中a为裂纹长度，N为疲劳寿命，C，m为材料参数，ΔK为应力强度因子幅值；C，m由试验得出或采用规范取值。本发明还包括一种基于三维点云的锈后钢板疲劳寿命计算方法，对于已知裂纹位置及尺寸的锈后钢板，其疲劳寿命计算步骤如下：
B1：利用激光扫描技术获取锈后钢板表面点云；
B2：表面点云降噪，除杂，插值为锈蚀深度矩阵；
B3：在其裂纹萌生区域位置设置Seam，其Seam由裂纹长度设定，生成有限元裂纹计算基础模型M3；
B4：将锈蚀深度矩阵赋值到M3的表面单元上，得到应力强度因子有限元计算模型M4，计算裂纹尖端的应力强度因子。
B5：通过Paris公式及其相关公式进行疲劳寿命计算。
进一步，已知裂纹尺寸及位置时，步骤B3中Seam对于Ⅰ型裂纹，设置为半椭圆，椭圆长半轴及短半轴由裂纹长度及深度确定，半椭圆圆心设置为裂纹中点。
进一步，采用Paris公式进行裂纹扩展速率的计算，得到新的裂纹尺寸，并进行B3-B5的重复计算，计算出该带裂纹试件的疲劳寿命，所述Paris公式为：
式中a为裂纹长度，N为疲劳寿命，C，m为材料参数，ΔK为应力强度因子幅值；C，m由试验得出或采用规范取值。本发明的有益效果在于：
(1)简便性。本发明中的方法不需要进行额外的疲劳试验对荷载加载区域进行修改，也不需要预先逆向生成曲面模型再划分网格导入CAE软件。且不同模型在近似形状条件下，可以基于同一个基础模型进行修改，极大的方便了锈蚀表面模型的建立。
(2)广泛性。本发明中的方法主要是针对有限元模型的建立，对于不同领域的材料、构件、结构需要考虑真实表面复杂特征时均可采用。
本发明的其他优点、目标和特征将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上对本领域技术人员而言是显而易见的，或者本领域技术人员可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为未知裂纹位置的锈后钢板疲劳寿命计算方法流程图；
图2为未知裂纹位置及尺寸的锈后钢板疲劳寿命计算方法流程图；
图3为本发明所述基于三维点云的锈后钢板疲劳寿命计算方法总体流程图；
图4为未发生裂纹时裂纹依据锈坑轮廓的设置方法；
图5为发生裂纹后裂纹依照沙滩纹形状的设置方法。
具体实施方式
如图1-5所示，一种基于三维点云的锈后钢板疲劳寿命计算方法，包括两种应用场景。
场景一：未知裂纹位置，获取锈后钢板真实表面点云后的疲劳寿命分析。流程图如图1所示，包括以下步骤：
S1：利用激光扫描技术获取锈后钢板表面点云；其中激光扫描技术可替换为任一常见的表面点云获取技术，只要其分析精度在可接受范围内(小于锈坑尺度)。
S2：表面点云降噪，除杂，插值为锈蚀深度矩阵；
S3：建立有限元静力拉伸计算基础模型M1；
S4：锈蚀深度矩阵赋值到基础模型M1的表面单元上，得到真实表面有限元静力计算模型M2，计算其应变集中区域及应力集中区域；
S5：预测其裂纹萌生区域位置设置Seam，其Seam可接近锈坑轮廓设置，其尺寸，如图4所示，生成有限元裂纹计算基础模型M3。
S6：将锈蚀深度矩阵赋值到M3的表面单元上，得到应力强度因子有限元计算模型M4，计算裂纹尖端的应力强度因子(SIF，Stress intensity factor)。
S7：通过Paris公式及其相关公式进行疲劳寿命计算。
锈蚀深度矩阵的网格密度由S3、S5中的模型M1，M3的表面网格精度确定。S3、S5中的M1，M3模型可以通过过渡化网格技术提高分析速度。S3、S5中基础模型M1，M3的网格划分均采用C3D20R六面体单元，且可通过代码修改其节点距离，生成相近形状，或无太大曲率变化的相似构件模型。
在未知裂纹位置及尺寸时，可通过S4中步骤预测裂纹发生位置，在S5中的预制Seam的轮廓可尽可能接近该裂纹萌生的锈坑轮廓，并尽量接近该锈坑。
可采用Paris公式进行裂纹扩展速率的计算，得到新的裂纹尺寸，并进行S5-S7的重复计算，即可计算出该试件的疲劳寿命。
其中Paris公式为：
式中a为裂纹长度，N为疲劳寿命，C，m为材料参数，ΔK为应力强度因子幅值。C，m可由试验得出或采用规范取值。
场景二：已知裂纹位置及尺寸，获取锈后钢板真实表面点云后的疲劳寿命分析。流程图如图2所示。
S1：利用激光扫描技术获取锈后钢板表面点云；
S2：表面点云降噪，除杂，插值为锈蚀深度矩阵；
S3：在其裂纹萌生区域位置设置Seam，其Seam由裂纹尺寸设定，生成有限元裂纹计算基础模型M3。
S4：将锈蚀深度矩阵赋值到M3的表面单元上，得到应力强度因子有限元计算模型M4，计算裂纹尖端的应力强度因子(SIF，Stress intensity factor)。
S5，通过Paris公式及其相关公式进行疲劳寿命计算。
在已知裂纹位置及尺寸时，其S3中Seam对于Ⅰ型裂纹，设置为半椭圆，椭圆长半轴及短半轴由裂纹长度及深度确定，半椭圆圆心设置为裂纹中点，如图5所示。
本场景中，也可采用Paris公式进行裂纹扩展速率的计算，得到新的裂纹尺寸，并进行S3-S5的重复计算，即可计算出该带裂纹试件的疲劳寿命。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (8)
1.一种基于三维点云的锈后钢板疲劳寿命计算方法，其特征在于：对于未知裂纹位置的锈后钢板，其疲劳寿命计算步骤如下：
A1：获取锈后钢板表面点云；
A2：表面点云降噪，除杂，插值为锈蚀深度矩阵；
A3：建立有限元静力拉伸计算基础模型M1；
A4：锈蚀深度矩阵赋值到基础模型M1的表面单元上，得到真实表面有限元静力计算模型M2，计算其应变集中区域及应力集中区域；
A5：预测其裂纹萌生区域位置设置Seam，其Seam可接近锈坑轮廓设置，生成有限元裂纹计算基础模型M3；
A6：将锈蚀深度矩阵赋值到M3的表面单元上，得到应力强度因子有限元计算模型M4，计算裂纹尖端的应力强度因子；
A7：通过Paris公式及其相关公式进行疲劳寿命计算；采用Paris公式计算裂纹扩展速率，得到新的裂纹尺寸并进行步骤A5-A7的重复计算，计算出所述锈后钢板的疲劳寿命，所述Paris公式为：
式中a为裂纹长度，N为疲劳寿命，C，m为材料参数，ΔK为应力强度因子幅值；C，m由试验得出或采用规范取值。
2.根据权利要求1所述的基于三维点云的锈后钢板疲劳寿命计算方法，其特征在于：步骤A1中，利用激光扫描技术来获取锈后钢板表面点云，分析精度小于锈坑尺度。
3.根据权利要求1所述的基于三维点云的锈后钢板疲劳寿命计算方法，其特征在于：锈蚀深度矩阵的网格密度由步骤A3和步骤A5中的模型M1，M3的表面网格精度确定。
4.根据权利要求1所述的基于三维点云的锈后钢板疲劳寿命计算方法，其特征在于：利用所述M1和M3模型，通过过渡化网格技术提高分析速度。
5.根据权利要求1所述的基于三维点云的锈后钢板疲劳寿命计算方法，其特征在于：所述M1和M3的网格划分均采用C3D20R六面体单元，通过代码修改其节点距离，生成相近形状，或无太大曲率变化的相似构件模型。
6.根据权利要求1所述的基于三维点云的锈后钢板疲劳寿命计算方法，其特征在于：在未知裂纹位置及尺寸时，通过步骤A4预测裂纹发生位置，在步骤A5中的预制Seam的轮廓尽可能接近裂纹萌生的锈坑轮廓，并尽量接近该锈坑。
7.一种基于三维点云的锈后钢板疲劳寿命计算方法，其特征在于：对于已知裂纹位置及尺寸的锈后钢板，其疲劳寿命计算步骤如下：
B1：利用激光扫描技术获取锈后钢板表面点云；
B2：表面点云降噪，除杂，插值为锈蚀深度矩阵；
B3：在其裂纹萌生区域位置设置Seam，其Seam由裂纹尺寸设定，生成有限元裂纹计算基础模型M3；
B4：将锈蚀深度矩阵赋值到M3的表面单元上，得到应力强度因子有限元计算模型M4，计算裂纹尖端的应力强度因子；
B5：通过Paris公式及其相关公式进行疲劳寿命计算；采用Paris公式进行裂纹扩展速率的计算，得到新的裂纹尺寸，并进行B3-B5的重复计算，计算出所述锈后钢板的疲劳寿命，所述Paris公式为：
式中a为裂纹长度，N为疲劳寿命，C，m为材料参数，ΔK为应力强度因子幅值；C，m由试验得出或采用规范取值。
8.根据权利要求7所述的基于三维点云的锈后钢板疲劳寿命计算方法，其特征在于：已知裂纹尺寸及位置时，步骤B3中Seam对于Ⅰ型裂纹，设置为半椭圆，椭圆长半轴及短半轴由裂纹长度及深度确定，半椭圆圆心设置为裂纹中点。
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