【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种钢结构腐蚀疲劳演化过程的模拟和预测方法。
技术介绍
1、钢结构腐蚀疲劳本质上是电化学腐蚀与力学因素耦合作用下的不可逆损伤演化过程，分析其内在机理是有效预测材料和结构疲劳寿命的基础和关键。钢结构腐蚀疲劳的演化损伤过程包括点蚀、裂纹萌生及扩展三个阶段。在这个过程中，夹杂、气孔及孔洞处的电化学反应成为腐蚀坑形核的源头，电化学腐蚀主导了损伤演化初期的腐蚀坑形成；随着蚀坑尺寸的增加和疲劳荷载的持续作用，蚀坑逐渐转变为裂纹，最终导致结构疲劳失效。可见，钢结构腐蚀开裂过程是电化学腐蚀与力学因素共同作用的结果，腐蚀疲劳损伤过程前期为腐蚀坑的演化，之后过渡到裂纹发展，即前期为体积腐蚀损伤，后期为裂纹面扩展。
2、通过内聚单元法能够实现连续的三维疲劳裂纹萌生和扩展仿真(即裂纹面萌生和扩展)。但钢结构腐蚀疲劳损伤演化的初期主要表现为腐蚀坑的体积变化，而非裂纹面的萌生与扩展，因此，单独使用内聚单元法无法完整模拟和预测钢结构腐蚀疲劳损伤演化过程。而针对腐蚀坑形成过程的腐蚀疲劳损伤演化，多数方法基于复杂的电化学与应力耦合理论，尚无权威且普遍使用的标准方法。
技术实现思路
1、本专利技术旨在提供一种钢结构腐蚀疲劳演化过程的模拟和预测方法。
2、提供了一种钢结构腐蚀疲劳演化过程的模拟和预测方法，包括：建立钢结构整体有限元受力仿真模型，所述钢结构整体有限元受力仿真模型上预留有钢结构局部有限元腐蚀疲劳仿真模型插入缺口；建立钢结构局部有限元腐蚀疲劳仿真模型，所述钢结构局部有限元
3、进一步的，所述钢结构有限元腐蚀仿真单元为实体单元，所述实体单元被赋予了腐蚀损伤演化本构，所述腐蚀损伤演化本构用于计算实体单元的腐蚀损伤；所述钢结构有限元疲劳仿真单元为内聚力单元，所述内聚力单元被赋予了循环内聚力本构，所述循环内聚力本构用于计算内聚力单元的疲劳损伤；所述实体单元为一个多面体且每个表面对应存在一个厚度为零的内聚力单元；每个厚度为零的内聚力单元与该厚度为零的内聚力单元所在的多面体的表面之间共用该表面的各个顶点。进一步的，所述实体单元为四面体；所述内聚力单元为三角形。
4、进一步的，所述耦合关联通过所述运算过程中采取的如下策略来实现：识别接触腐蚀元素的实体单元并通过腐蚀损伤演化本构计算该实体单元的腐蚀损伤；然后通过循环内聚力本构计算与该接触腐蚀元素的实体单元相邻的内聚力单元产生的疲劳损伤，再将该内聚力单元的疲劳损伤和与该内聚力单元相邻的实体单元的腐蚀损伤中的最大值作为该内聚力单元的当前损伤值；若一个实体单元相邻的任意一个内聚力单元的当前损伤值属于腐蚀损伤，则判定该实体单元接触腐蚀元素。
5、进一步的，所述腐蚀损伤演化本构使用了实体单元腐蚀损伤速率来计算实体单元的腐蚀损伤；其中，所述实体单元腐蚀损伤速率按照以下方式获得：
6、首先，通过matlab程序在钢结构局部有限元腐蚀疲劳仿真模型的表面随机生成k个点蚀萌生位置坐标，并根据式(37)计算各点蚀位置的腐蚀速率缩放因子zk，将这些坐标及对应的缩放因子zk存入用户自定义子程序umat数组中；接着，获取实体单元积分点与各点蚀萌生位置的最小水平距离dk，赋予对应缩放因子zk；根据公共变量中储存的相邻单元节点及损伤信息，判断在当前分析步中进行腐蚀损伤累积的实体单元，并获取其数量然后联立式(39)及式(40)使之相等，得到当前分析步等效腐蚀损伤高度见式(41)；腐蚀坑底部呈现为弧形，以蚀坑中心为峰值，并以最小水平距离dk为基础，按照余弦函数关系向外递减，这将导致腐蚀损伤总量缩减，因此引入形状补偿因子gs，由式(42)算得；考虑应力腐蚀效应最终通过式(44)获取实体单元腐蚀损伤速率；
7、其中：
8、
9、式中，z为腐蚀速率缩放因子，r为气体常数，γ为尺度参数，m为形状参数，u为均匀分布的[0,1]区间上生成的随机数；
10、
11、式中：δdthe及δdfem分别为理论及数值计算得到当前分析步腐蚀损伤增量，hmod是与腐蚀深度方向一致的有限元模型高度，为当前分析步进行腐蚀损伤累积的实体单元数量，nent为腐蚀子模型中实体单元数量，为当前分析步等效腐蚀损伤高度；
12、
13、式中：dkn为实体单元n对应于k萌生位置的水平距离，为当前分析步腐蚀坑半径；
14、
15、式中：rmax为蚀坑最大半径，变量p、q用以控制坑蚀半径变化；
16、
17、式中：rd为实体单元腐蚀损伤速率,i是变形的阳极电流，in是没有变形的阳极电流。
18、进一步的，所述腐蚀损伤演化本构使用了腐蚀模型统计特征值来计算实体单元的腐蚀损伤；其中，所述腐蚀模型统计特征值按照以下方式获得：通过式(45)获取腐蚀平均深度(d)；将腐蚀表面切割为n×m个“像素点”，以模仿实测过程中的三维扫描视图，通过单元几何拓扑信息获取方格内腐蚀深度，通过式(46)及式(47)分别计算算术平均高度(sq)及均方根高度(sa)；
19、
20、式中，p为腐蚀子模型中实体单元的数量，dqcorrsion是实体单元的腐蚀损伤量
21、
22、式中，i，j为像素点坐标，d(i，j)为方格内腐蚀深度。
23、本专利技术的钢结构腐蚀疲劳演化过程的模拟和预测方法通过整合钢结构整体有限元受力仿真模型和钢结构局部有限元腐蚀疲劳仿真模型，实现了对腐蚀坑形成和裂纹扩展全过程的多尺度、耦合模拟。该方法克服了单一模型的局限性，提供了一种全面、灵活且实用的分析工具，能够有效模拟电化学腐蚀与力学疲劳的相互作用。它不仅提高了计算效率和预测精度，还为钢结构的安全评估、寿命预测和优化设计提供了重要支持，对提升钢结构在腐蚀环境下的长期性能和可靠性具有显著价值。
24、下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步的说明。本专利技术的附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过实践了解到。
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1.钢结构腐蚀疲劳演化过程的模拟和预测方法，其特征在于：包括：
2.如权利要求1所述的钢结构腐蚀疲劳演化过程的模拟和预测方法，其特征在于：
3.如权利要求2所述的钢结构腐蚀疲劳演化过程的模拟和预测方法，其特征在于：所述实体单元为四面体；所述内聚力单元为三角形。
4.如权利要求2所述的钢结构腐蚀疲劳演化过程的模拟和预测方法，其特征在于：所述耦合关联通过所述运算过程中采取的如下策略来实现：识别接触腐蚀元素的实体单元并通过腐蚀损伤演化本构计算该实体单元的腐蚀损伤；然后通过循环内聚力本构计算与该接触腐蚀元素的实体单元相邻的内聚力单元产生的疲劳损伤，再将该内聚力单元的疲劳损伤和与该内聚力单元相邻的实体单元的腐蚀损伤中的最大值作为该内聚力单元的当前损伤值；若一个实体单元相邻的任意一个内聚力单元的当前损伤值属于腐蚀损伤，则判定该实体单元接触腐蚀元素。
5.如权利要求2、3或4所述的钢结构腐蚀疲劳演化过程的模拟和预测方法，其特征在于：所述腐蚀损伤演化本构使用了实体单元腐蚀损伤速率来计算实体单元的腐蚀损伤；其中，所述实体单元腐蚀损伤速率按照以下方式获
6.如权利要求2、3或4所述的钢结构腐蚀疲劳演化过程的模拟和预测方法，其特征在于：所述腐蚀损伤演化本构使用了腐蚀模型统计特征值来计算实体单元的腐蚀损伤；其中，所述腐蚀模型统计特征值按照以下方式获得：
...【技术特征摘要】
1.钢结构腐蚀疲劳演化过程的模拟和预测方法，其特征在于：包括：
2.如权利要求1所述的钢结构腐蚀疲劳演化过程的模拟和预测方法，其特征在于：
3.如权利要求2所述的钢结构腐蚀疲劳演化过程的模拟和预测方法，其特征在于：所述实体单元为四面体；所述内聚力单元为三角形。
4.如权利要求2所述的钢结构腐蚀疲劳演化过程的模拟和预测方法，其特征在于：所述耦合关联通过所述运算过程中采取的如下策略来实现：识别接触腐蚀元素的实体单元并通过腐蚀损伤演化本构计算该实体单元的腐蚀损伤；然后通过循环内聚力本构计算与该接触腐蚀元素的实体单元相邻的内聚力单元产生的疲劳损伤，再将该内聚力单元的疲劳损...
【专利技术属性】
技术研发人员：张清华，唐琨，崔闯，李亚鹏，袁晓鹏，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：
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