CN116678775B - 考虑环境腐蚀及连续介质力学损伤演化规律的腐蚀疲劳评估方法 - Google Patents

考虑环境腐蚀及连续介质力学损伤演化规律的腐蚀疲劳评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种考虑环境腐蚀及连续介质力学损伤演化规律的腐蚀疲劳评估方法，包括：a)根据腐蚀试验或经验公式，建立钢材自然大气腐蚀程度发展函数η(t)；b)根据腐蚀疲劳试验或经验公式，标定不同腐蚀程度下钢材连续介质力学损伤演化参数，并建立其演化方程C(η),β(η)；c)对构件标准应力时程谱进行处理，得到标准应力幅序列；d)根据服役时间t及腐蚀程度η更新损伤演化参数C,β，计算标准应力幅序列产生疲劳损伤增量ΔD，循环直至破坏；e)估计疲劳寿命或不同服役年限钢构件疲劳损伤程度。本发明可用于考虑荷载次序、疲劳损伤非线性发展及腐蚀对疲劳性能不利影响的钢构件腐蚀疲劳性能评估，也可用于钢构件腐蚀疲劳设计。

Description

考虑环境腐蚀及连续介质力学损伤演化规律的腐蚀疲劳评估 方法
技术领域
本发明涉及钢结构件腐蚀疲劳性能评估方法，具体涉及考虑环境腐蚀对疲劳性能不利影响及连续介质力学损伤演化规律的钢结构件腐蚀疲劳评估方法，尤其是一种考虑环境腐蚀及连续介质力学损伤演化规律的腐蚀疲劳评估方法。
背景技术
钢结构件在服役期间长期承受车辆、风、波浪等交变荷载的作用，面临严重的疲劳问题。同时，在疲劳荷载作用的同时钢结构件还将遭受大气环境腐蚀的作用，腐蚀引起的应力集中及截面减小将进一步劣化其疲劳性能，因此对于同时承受环境腐蚀与疲劳载荷的钢结构件需考虑腐蚀对疲劳的不利影响以准确评估其腐蚀疲劳性能。目前针对钢结构件腐蚀疲劳性能的评估方法中，多将疲劳损伤规律按Miner线性损伤累积准则进行考虑，未考虑疲劳损伤非线性发展的特点，这与疲劳损伤演化规律实际情况存在较大差异；且现有疲劳评估方法在工程应用中无法有效考虑平均应力及应力比的影响；与此同时，现有方法中，未能考虑钢材疲劳性能的时变特征，未能考虑钢结构件随服役年限增加其腐蚀程度增加所造成的疲劳性能劣化，这将对腐蚀环境下的钢结构件疲劳性能评估产生偏不安全的考虑。因此，需制定可考虑环境腐蚀影响及疲劳损伤按连续介质力学演化规律发展的钢结构件腐蚀疲劳评估方法。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种考虑环境腐蚀及连续介质力学损伤演化规律的钢结构件腐蚀疲劳性能评估方法，该方法能够考虑随服役年限增长，环境腐蚀程度提高对钢材疲劳性能产生的不利影响，且能考虑疲劳损伤非线性发展及荷载次序的影响，解决现有结构件疲劳性能评估方法中无法考虑疲劳性能时变特征的问题。本发明既可用于对既有结构服役一定年限后腐蚀疲劳程度的评价并确定其剩余疲劳寿命，也可用于对存在腐蚀疲劳问题的钢结构件进行疲劳性能设计。
本发明提供了一种考虑环境腐蚀及连续介质力学损伤演化规律的腐蚀疲劳评估方法，考虑了荷载次序、疲劳损伤发展非线性，及随服役过程中钢构件腐蚀程度增加引发的疲劳性能劣化，所述方法包括：
(a)根据自然大气腐蚀试验数据或经验公式，建立所评估钢结构钢材在其服役环境下，自然大气腐蚀程度发展函数η(t)；
(b)根据腐蚀后高周疲劳试验数据或经验公式，基于连续介质损伤力学(Continuum Damage Mechanism，CDM)，建立不同腐蚀程度下钢材非线性损伤演化模型，标定各腐蚀程度下损伤演化模型参数C,β，并建立其与腐蚀程度的函数关系C(η),β(η)；
(c)根据钢结构件应力监测数据或荷载预测结果，得到钢结构件标准应力时程谱S，对标准应力时程谱S进行处理，得到钢结构件在实际工况下包含应力幅次序信息的标准应力幅序列AMP；
(d)根据钢结构件服役时间t及对应腐蚀程度η，以年为单位对其损伤演化参数C,β进行更新，并计算服役t(i)年时标准应力幅序列产生疲劳损伤增量ΔD(t)，对疲劳损伤D进行累积，循环直至D＝1时认为钢结构件发生疲劳破坏；
(e)计算得到累积疲劳损伤D随服役年限t变化规律“D-t”曲线，根据D＝1时对应服役年限确定结构疲劳寿命tf，对于既有钢结构件腐蚀疲劳性能的评估问题，计算当前服役年限ti下累积疲劳损伤Dti，及剩余寿命tremain＝tf-ti。
根据一种具体实施方式，所述步骤(a)中，通过大气腐蚀数据建立的自然大气腐蚀程度发展函数，按幂函数形式进行表征η(t)＝Atn，考虑了结构件在实际工程服役环境下，腐蚀程度随时间的真实变化规律，可通过钢结构件服役环境下相应腐蚀类别已有钢材腐蚀数据确定。
所述步骤(b)中，通过腐蚀后疲劳试验数据标定连续介质力学损伤演化参数C,β，考虑了该参数的时变效应，体现为随腐蚀程度增加，相同应力幅下单次循环产生的损伤增量增加，反应了腐蚀对疲劳性能的劣化作用。其中，C,β通过质量损失率为η时的疲劳数据由式(1)得到：
进一步，步骤(b)中，通过公式拟合，建立损伤演化参数C,β与腐蚀程度的函数关系C(η),β(η)。
根据一种具体实施方式，所述步骤(c)中，标准应力时程谱S通过单位时间dt内，钢结构件健康监测数据或荷载预测与计算结果获得，能反应钢结构件在设计使用年限内服役工况下的应力特征，可选取一个标准应力时程或多个标准应力时程进行考虑。
进一步，步骤(c)中，对标准应力时程谱S进行处理后，得到标准应力幅序列AMP，其中包含荷载次序信息。
根据一种具体实施方式，所述步骤(d)中，对标准应力幅序列AMP中各应力幅σ(i)产生的损伤按连续介质损伤力学中损伤演化规律进行计算，其中损伤演化参数C(η),β(η)按当前服役年限t时对应腐蚀程度η(t)下参数C,β确定，计算当前服役年限下标准应力时程谱S所产生的疲劳损伤增量/>其中，/>由式(2)计算得到：
根据一种具体实施方式，所述步骤(d)中，根据服役年限对损伤参数进行更新，标准应力时程谱S循环频率与腐蚀程度η发展在时间维度需保持匹配关系，对标准应力时程谱S进行循环，直至累积疲劳损伤时，认为钢结构件发生疲劳破坏。
进一步，步骤(e)中，建立了考虑钢结构件实际服役条件的腐蚀环境对其疲劳性能劣化作用的损伤演化曲线“D-t”曲线，基于“D-t”曲线确定不同服役年限钢结构件腐蚀疲劳损伤程度Dti，估算结构腐蚀疲劳寿命tf及剩余寿命tremain＝tf-ti。
有益效果：本发明方法既可用于对考虑荷载次序、疲劳损伤非线性发展及腐蚀对疲劳性能不利影响的既有钢结构件腐蚀疲劳性能评估，也可用于钢结构件腐蚀疲劳设计。且本发明所述方法解决了现有疲劳评估方法在工程应用中无法有效考虑平均应力及应力比影响的问题，可实现对不同应力比产生损伤差异的准确考量。
附图说明
图1为本发明的考虑环境腐蚀及连续介质力学损伤演化规律的腐蚀疲劳评估方法流程图；
图2为各腐蚀程度下损伤演化参数C,β标定示意图；
图3为损伤演化参数C、β与腐蚀质量损失率η间函数关系C(η),β(η)拟合示意图；
图4为所评估的钢结构件标准应力时程谱S示意图；
图5为钢结构件标准应力幅序列AMP示意图；
图6为腐蚀疲劳损伤循环计算流程图；
图7为累积疲劳损伤D随服役年限t损伤演化曲线，“D-t”曲线。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
本发明公开了一种考虑环境腐蚀及连续介质力学损伤演化规律的腐蚀疲劳评估方法，具体流程如图1所示。第一步，根据腐蚀试验或经验公式，建立钢材自然大气腐蚀程度发展函数规律η(t)；第二步，根据腐蚀疲劳试验或经验公式，标定不同腐蚀程度下钢材连续介质力学损伤演化参数，并建立其演化方程C(η),β(η)；第三步，对构件标准应力时程进行处理，得到标准应力幅序列；第四步，根据服役时间t及腐蚀程度η更新损伤演化参数C,β，计算标准应力幅序列产生疲劳损伤增量ΔD，循环直至破坏；第五步，估计疲劳寿命或不同服役年限钢构件疲劳损伤程度。
根据自然大气腐蚀试验数据或经验公式，建立所评估钢结构钢材在其服役环境下，自然大气腐蚀程度发展函数规律η(t)。
根据腐蚀后高周疲劳试验或经验公式，基于连续介质损伤力学(ContinuumDamage Mechanism，CDM)，建立不同腐蚀程度下钢材非线性损伤演化模型，标定各腐蚀程度下损伤演化参数C,β，如图2所示。其中，C,β通过质量损失率为η时的疲劳数据由式(1)得到：
对不同腐蚀程度下钢材损伤演化参数C,β进行公式拟合，建立损伤演化模型参数与腐蚀程度的函数关系C(η),β(η)，如图3所示。
根据钢结构件健康监测数据或荷载预测与计算结果，得到能反应钢结构件在设计使用年限内服役工况下的应力特征的标准应力时程谱S，如图4所示。对其进行处理，得到钢结构件在实际工况下包含应力幅次序信息的标准应力幅序列AMP，如图5所示。
对标准应力幅序列AMP中各应力幅σ(i)产生的损伤按连续介质损伤力学中损伤演化规律进行计算，其中损伤演化参数C(η),β(η)按当前服役年限t时对应腐蚀程度η(t)下C,β确定，计算当前服役年限下标准应力时程谱S所产生的疲劳损伤增量其中，/>由式(2)计算得到：
根据服役年限对损伤参数进行更新，标准应力时程谱S循环频率与腐蚀程度η发展在时间维度需保持匹配关系，对标准应力时程谱S进行循环，直至累积疲劳损伤时，认为钢结构件发生疲劳破坏。计算流程图如图6所示。
计算得到累积疲劳损伤D随服役年限t变化规律“D-t”曲线，根据D＝1时对应服役年限确定结构疲劳寿命tf，对于既有钢结构件腐蚀疲劳性能的评估问题，计算当前服役年限ti下累积疲劳损伤Dti，及剩余寿命tremain＝tf-ti，如图7所示。

Claims (7)

1.一种考虑环境腐蚀及连续介质力学损伤演化规律的腐蚀疲劳评估方法，其特征在于，考虑了荷载次序、疲劳损伤发展非线性，及随服役过程中钢构件腐蚀程度增加引发的疲劳性能劣化，所述方法包括：
(a)根据自然大气腐蚀试验数据或经验公式，建立所评估钢结构钢材在其服役环境下，自然大气腐蚀程度发展函数η(t)；其中，根据自然大气腐蚀试验数据或经验公式建立所述自然大气腐蚀程度发展函数η(t)＝Atn，考虑了结构件在实际工程服役环境下，腐蚀程度随时间的真实变化规律，可通过相近服役环境下钢材腐蚀已有数据确定；
(b)根据腐蚀后高周疲劳试验数据或经验公式，基于连续介质损伤力学(ContinuumDamage Mechanism，CDM)，建立不同腐蚀程度下钢材非线性损伤演化模型，标定各腐蚀程度下损伤演化参数C,β，并建立其与腐蚀程度的函数关系C(η),β(η)；
(c)根据钢结构件应力监测数据或荷载预测结果，得到钢结构件标准应力时程谱S，对应力时程谱S进行处理，得到钢结构件在实际工况下包含应力幅次序信息的标准应力幅序列AMP；
(d)根据钢结构件服役时间t及对应腐蚀程度η，以年为单位对其损伤演化参数C,β进行更新，并计算服役t(i)年时标准应力幅序列产生疲劳损伤增量ΔD(t)，对累积疲劳损伤D进行更新，循环直至累积疲劳损伤D＝1时认为钢结构件发生疲劳破坏；其中，对标准应力幅序列AMP中各应力幅σ(i)产生的损伤增量按连续介质损伤力学中损伤演化规律进行计算，损伤演化参数C(η),β(η)按当前服役年限t时对应腐蚀程度η(t)下对应C,β确定，计算当前服役年限下标准应力时程谱S所产生的疲劳损伤增量/>
(e)计算得到累积疲劳损伤D随服役年限t变化规律“D-t”曲线，根据D＝1时对应服役年限确定结构疲劳寿命tf，对于既有钢结构件腐蚀疲劳性能的评估问题，计算当前服役年限ti下累积疲劳损伤Dti，及剩余寿命tremain＝tf-ti。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(b)中，根据腐蚀后高周疲劳试验数据或经验公式标定所述损伤演化参数C、β，考虑了所述参数的时变效应，体现为随腐蚀程度增加，相同应力幅下单次循环产生的损伤增量增加，反应了腐蚀对疲劳性能的劣化作用。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(c)中，根据钢结构件应力监测数据或荷载预测结果，得到在单位时间dt内的标准应力时程谱S，用来反应钢结构件在设计使用年限内服役工况下的应力特征，其中包括选取一个标准应力时程或多个标准应力时程。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(c)中，对标准应力时程谱S进行处理后，得到标准应力幅序列AMP，其中包含荷载次序信息。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(d)中，根据服役年限对损伤参数进行更新，应力时程与腐蚀程度发展在时间维度需保持匹配关系，对标准应力时程谱S进行循环，直至累积疲劳损伤时，认为钢结构件发生疲劳破坏。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(e)中，建立了考虑钢结构件实际服役条件的腐蚀环境对其疲劳性能劣化作用的损伤演化曲线“D-t”曲线，基于“D-t”曲线确定不同服役年限钢结构件考虑环境腐蚀的累积疲劳损伤程度Dti，估算结构腐蚀疲劳寿命tf及剩余寿命tremain＝tf-ti。
7.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，所述方法既可用于对考虑荷载次序、疲劳损伤非线性发展及腐蚀对疲劳性能不利影响的既有钢结构件腐蚀疲劳性能评估，也可用于钢结构件腐蚀疲劳设计。
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