[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

摘要

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。

主权项

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；Xi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Γd上对应点的位置；则有：xi±=Xi+ui±x‾i=Xi+(ui++ui-)/2---(1)]]>在中面Γd上一点P建立局部坐标系，以vn,vs,vt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Θmi＝[vn vs vt]，则单元节点在总体坐标系下的位移变化向量：Δm＝Θmi||u||  (2)内聚力模型的本构关系以上下界面间粘结力τi和位移Δi在局部坐标系下之间的函数关系表达：τi＝τ(Δi)  (3)其张量表达式为：T=τ1τ2τ3=(1-d)KΔ1Δ2Δ3-dK00<-Δ3>---(4)]]>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：F‾(λt,rt)=G(λt)-G(rt)≤0,t≥0---(5)]]>G(λ)=Δf(λ0-Δ0)λ(Δf-Δ0)---(6)]]>λ=(Δ1)2+(Δ2)2+<Δ3>2---(7)]]>rt＝max{Δ0,maxλs},0≤s≤t  (8)dt＝G(rt)  (9)其中，λ表示界面间位移，λt、λs表示s时刻、t时刻对应的界面间位移，rt表示t时刻损伤阈值；dt表示单元损伤随时间的变化值，当d＝1时，单元破环，τi＝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Gc时界面开始分层，采用BK准则计算临界能量释放率：Gc＝GΙc+(GΙΙc‑GΙc)(Gshear/G)η  (10)其中，η为材料参数，在混合加载模式下，G＝GΙ+Gshear,Gshear＝GΙΙ+GΙΙΙ；GΙ、GΙΙ、GΙΙΙ分别代表Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型断裂的能量释放率；GΙc、GΙΙc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，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，则从该堆栈中提取第一个应力点，置于峰值/谷值堆栈内；否则，结束该峰值/谷值流程；2)判断峰值/谷值堆栈内应力点数量是否大于1，若满足，则将Mxnew/Mnnew赋值为峰值/谷值堆栈内最后一个值，Mxold/Mnold赋值为峰值/谷值堆栈内倒数第二个值；否则，进入步骤(3)；3)重新判断预处理堆栈内应力点数量是否大于1，若满足，则跳转到谷值/峰值计算流程，否则，结束该峰值/谷值计算流程；4)判断是否满足Mxnew>Mxold/Mnnew>Mnold，若满足，则进入步骤(5)；否则，Mxold/Mnold赋值为Mxnew/Mnnew，进入步骤(3)；5)判断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、平均应力等应力循环信息，并统计应力点编号，从峰值/谷值堆栈移除应力点Mxold/Mnold；否则按照全循环处理，计算应力幅、平均应力等应力循环信息，并统计应力点编号，从峰值/谷值堆栈移除应力点Mxold/Mnold，从谷值堆栈移除应力点Mnnew/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Kf判定蚀坑发展的过程中新裂纹的生成：Kf=Kt1+2(a/ρ)1/2---(11)]]>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Kt＝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＝αtβ  (12)式中，α、β为材料常数，二者通过试验数据回归分析得到。