[发明专利]一种基于内聚力模型的钢结构腐蚀疲劳损伤计算方法

权利要求书

1.一种基于内聚力模型的钢结构腐蚀疲劳损伤计算方法，其特征在于，步骤如下：

(1)内聚力模型：内聚力单元节点对张开量以上下界面的位移变化||u||表示：||u||＝||u⁺-u^-||，其中u^±表示变形后上、下界面的位移；X_i表示三维空间的笛卡尔坐标，i＝1,2,...,n；表示变形后对应点的位置，表示变形后中面Γ_d上对应点的位置；则有：

在中面Γ_d上一点P建立局部坐标系，以v_n,v_s,v_t表示局部坐标系在总体坐标系中的方向余弦，构成正交旋转张量Θ_mi＝[v_n v_s v_t]，则单元节点在总体坐标系下的位移变化向量：

Δ_m＝Θ_mi||u|| (2)

内聚力模型的本构关系以上下界面间粘结力τ_i和位移Δ_i在局部坐标系下之间的函数关系表达：

τ_i＝τ(Δ_i) (3)

其张量表达式为：

其中，d∈[0,1]表示损伤变量，K为罚刚度，-Δ₃＝(Δ₃+|Δ₃|)/2；在混合加载模式下，内聚力模型的损伤准则以位移变化的形式表示：

r^t＝max{Δ⁰,maxλ^s},0≤s≤t (8)

d^t＝G(r^t) (9)

其中，λ表示界面间位移，λ^t、λ^s表示s时刻、t时刻对应的界面间位移，r^t表示t时刻损伤阈值；d^t表示单元损伤随时间的变化值，当d＝1时，单元破环，τ_i＝0；

在混合加载模式下，使用能量释放率G来判断裂缝是否扩展，当能量释放率G超过临界值G_c时界面开始分层，采用BK准则计算临界能量释放率：

G_c＝G_Ιc+(G_ΙΙc-G_Ιc)(G_shear/G)^η (10)

其中，η为材料参数，在混合加载模式下，G＝G_Ι+G_shear,G_shear＝G_ΙΙ+G_ΙΙΙ；G_Ι、G_ΙΙ、G_ΙΙΙ分别代表Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型断裂的能量释放率；G_Ιc、G_ΙΙc表示Ⅰ型、Ⅱ型断裂的临界能量释放率；

(2)实时雨流计数法：实时雨流计数法使用两个动态堆栈，即应力峰值堆栈和应力谷值堆栈存放应力信息，其中，应力峰值堆栈按照如下流程处理：

1)判断经预处理的应力堆栈中应力点数量是否大于1，若满足，则从应力堆栈中提取第一个应力点，置于应力峰值堆栈内；否则，结束应力峰值计算流程；

2)判断应力峰值堆栈内应力点数量是否大于1，若满足，则将Mxnew赋值为应力峰值堆栈内最后一个值，Mxold赋值为应力峰值堆栈内倒数第二个值；否则，进入步骤3)；

3)重新判断预处理的应力堆栈内应力点数量是否大于1，若满足，则跳转到应力谷值计算流程，否则，结束应力峰值计算流程；

4)判断是否满足MxnewMxold，若满足，则进入步骤5)；否则，Mxold赋值为Mxnew，进入步骤3)；

5)判断应力谷值堆栈内应力点数量是否为1，若满足，则按照半循环处理，计算应力幅、平均应力的循环信息，并统计应力点编号，从应力峰值堆栈移除应力点Mxold；否则按照全循环处理，计算应力幅、平均应力的循环信息，并统计应力点编号，从应力峰值堆栈移除应力点Mxold，从应力谷值堆栈移除应力点Mnnew，跳转到步骤3)；

应力谷值堆栈按照如下流程处理：

1)判断经预处理的应力堆栈中应力点数量是否大于1，若满足，则从应力堆栈中提取第一个应力点，置于应力谷值堆栈内；否则，结束应力谷值计算流程；

2)判断应力谷值堆栈内应力点数量是否大于1，若满足，则将Mnnew赋值为应力谷值堆栈内最后一个值，Mnold赋值为应力谷值堆栈内倒数第二个值；否则，进入步骤3)；

3)重新判断预处理的应力堆栈内应力点数量是否大于1，若满足，则跳转到应力峰值计算流程，否则，结束应力谷值计算流程；

4)判断是否满足MnnewMnold，若满足，则进入步骤5)；否则，Mnold赋值为Mnnew，进入步骤3)；

5)判断应力峰值堆栈内应力点数量是否为1，若满足，则按照半循环处理，计算应力幅、平均应力的循环信息，并统计应力点编号，从应力谷值堆栈移除应力点Mnold；否则按照全循环处理，计算应力幅、平均应力的循环信息，并统计应力点编号，从应力谷值堆栈移除应力点Mnold，从应力峰值堆栈移除应力点Mxnew，跳转到步骤3)；

(3)有限元模型内聚力单元更新：当裂缝前缘内聚力单元发生损伤时，查找满足如下条件的实体单元：

1)与裂缝前缘内聚力单元外侧节点相连接；

2)实体单元的任意面不能与该内聚力单元任意界面重合；

3)满足条件步骤1)和2)的实体单元应当与另一个也满足条件步骤1)和2)的实体单元存在公共面；

将满足以上条件且存在公共面的实体单元之间以内聚力单元连接，具体连接方法为：假定存在公共面的两个实体单元分别为A和B，查询实体单元A和B的所有节点编号及公共面上节点编号并保存；定义实体单元B在公共面上节点集为C，B的其它节点组成节点集D，在节点集C的所有节点成员所在位置新建重合节点，形成节点集E；删除实体单元B；以新建节点集E和节点集D重新组合为新实体单元B；以节点集C和节点集E生成两个面，组成新的内聚力单元；

(4)腐蚀效应处理：采用蒙特卡洛方法生成半球状点蚀蚀坑，随时间变化蚀坑逐渐演化为半椭球状，应用有效应力集中系数K_f判定蚀坑发展的过程中新裂纹的生成：

考虑蚀坑尺寸远小于构件尺寸，对于半椭球形蚀坑取应力集中系数K_t＝1+2a/h；蚀坑底部曲率半径ρ＝a²/h，a为半椭球状蚀坑表面圆的半径，点蚀蚀坑深度h随时间变化表示为：

h＝αt^β (12)

式中，α、β为材料常数，二者通过试验数据回归分析得到。