[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

说明书

本发明属于钢结构腐蚀疲劳损伤分析技术领域，提供了一种基于内聚力模型的钢结构腐蚀疲劳损伤计算方法，步骤如下：定义一种内聚力单元模型；基于点蚀理论和蒙特卡洛方法处理腐蚀缺陷形成和扩展问题；利用本申请所定义的内聚力模型对拟研究结构进行时程分析；对拟研究结构模型网格进行动态更新；利用实时雨流计数法对实时应力进行处理，并计算等效应力幅和累积损伤量。通过本发明所述计算方法，可以分析腐蚀疲劳裂纹扩展过程，从而显著提高钢结构腐蚀疲劳损伤计算精度。

技术领域

本发明属于钢结构腐蚀疲劳损伤分析技术领域，涉及一种利用有限元分析 钢结构腐蚀疲劳损伤的计算方法。

背景技术

腐蚀疲劳是钢结构在服役过程中不可避免出现的问题。工程中为简化计算， 通常采用Minner线性累积损伤准则来计算钢结构累积损伤：

其中，D表示累积损伤量；D_i表示第i种常幅应力循环造成的损伤，n_i表示 第i种常幅应力循环出现的次数，N_i表示该应力幅(S_i)对应的疲劳寿命。

应力幅值(S_i)可以通过经典雨流计数法得到。雨流计数法首先由M. Matsuishi和T.Endo提出。将应力-时间历程顺时针旋转90°，纵坐标表示时间， 横坐标表示应力，此时应力-时间历程和雨点从宝塔顶向下流动的情况相似。其 计数规则如下：

(1)以最高峰值或最低谷值(取绝对值较大者)为起点，重新安排应力-时间 历程。

(2)雨流依次从每个峰(谷)的内侧向下流，在下一个谷(峰)处落下，直 到对面有一个更低的谷值(或更高的峰值)停止。

(3)当雨流遇到来自上面屋顶流下的雨流时，即行停止。

(4)取出所有的全循环，并记录下各自的应力幅值(S_i)和均值。

应力幅(S_i)所对应的疲劳寿命(N_i)可以从试验数据回归得出的应力幅- 应力循环次数关系中得到。

由于受试验设备和试验环境的影响，试验钢结构构件尺寸受限，因此，该 方法无法预测任意尺寸钢结构构件的腐蚀疲劳寿命。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种计算任意几何尺寸钢结构构件腐蚀 疲劳损伤的方法。该方法在考虑腐蚀、疲劳发生机理的基础上，分析钢结构构 件的腐蚀疲劳裂纹扩展过程，计算结构累积损伤，并估算其剩余疲劳寿命。

本发明的技术方案：

一种基于内聚力模型的钢结构腐蚀疲劳损伤计算方法，步骤如下：

(1)内聚力模型：内聚力单元模型如图2所示，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(i＝1,2,...,n)表示三维空间的笛卡尔坐标，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|| (3)