考虑环境腐蚀速率与荷载历程匹配关系的腐蚀疲劳试验方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑环境腐蚀速率与荷载历程匹配关系的腐蚀疲劳试验方法，包括：(a)通过腐蚀数据得出钢材腐蚀程度发展函数规律η(t)，通过雨流计数法统计，确定疲劳荷载等效应力幅及平均加载次数dN；(b)通过腐蚀后疲劳试验数据，标定不同腐蚀程度下损伤演化模型参数及相应函数关系表达式；(c)采用间歇加载形式或腐蚀与疲劳同时施加的形式，考虑腐蚀与交变荷载耦合效应，并根据试验工况加载间隔，相应考察其损伤演化情况，考察不同加载工况对腐蚀疲劳试验寿命影响情况，优化试验方案；(d)计算考虑腐蚀与疲劳在时间维度匹配关系的强耦合下结构件的腐蚀疲劳寿命，研究真实服役环境与荷载工况下不同服役年限结构件疲劳损伤程度。度。度。

【技术实现步骤摘要】
考虑环境腐蚀速率与荷载历程匹配关系的腐蚀疲劳试验方法


[0001]本专利技术涉及结构件腐蚀疲劳性能试验方法，具体涉及考虑环境腐蚀速率与交变荷载历程在时间维度匹配关系及耦合效应的结构件腐蚀疲劳试验方法。

技术介绍

[0002]钢构件在服役过程中将面临车辆、风、波浪等长期交变荷载的作用，形成显著的疲劳损伤。与此同时，钢结构在服役过程中腐蚀问题突出，随服役时间增加，钢构件逐渐发生腐蚀，其截面几何尺寸减小的同时，腐蚀会引起钢材表面出现蚀坑、孔洞等缺陷，引起应力集中，进而劣化其疲劳性能。环境腐蚀与疲劳间存在显著的耦合关系，同时承受环境腐蚀和交变荷载作用的钢构件将面临更高的安全挑战，因此需对考虑其耦合效应的腐蚀疲劳性能展开研究。由于腐蚀疲劳试验中，加速腐蚀速率与疲劳加载频率较难与工程实际工况实现在时间维度的匹配，目前针对结构件腐蚀疲劳性能的试验方法中，多未考虑两者的匹配关系，较少考虑实际工况下腐蚀对疲劳产生的耦合效应，这将对其腐蚀疲劳性能产生偏不安全的考虑。因此，若要准确评价结构件在实际服役工况下腐蚀疲劳性能，研究其在不同服役年限下的疲劳损伤，需制定可准确考虑腐蚀对疲劳耦合效应并考虑腐蚀速率与荷载历程在时间维度匹配关系的腐蚀疲劳试验方法。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是克服现有技术的不足，提供一种考虑环境腐蚀速率与荷载历程匹配关系的腐蚀疲劳试验方法，该方法能够定量评价不同试验工况下腐蚀疲劳试验得到的寿命结果与实际工况下疲劳寿命差异，解决现有结构件腐蚀疲劳试验方法无法考虑腐蚀环境速率与荷载历程耦合效应及其在时间维度匹配关系的问题，本专利技术既可以对既有结构服役一定年限后腐蚀疲劳损伤程度进行评价，也可以针对新建结构进行考虑腐蚀与疲劳耦合效应的腐蚀疲劳性能设计。
[0004]本专利技术提供了一种考虑环境腐蚀速率与荷载历程匹配关系的腐蚀疲劳试验方法，考虑了结构实际服役工况下，环境腐蚀速率与交变荷载加载速率在时间维度的匹配关系，所述方法包括：
[0005](a)通过自然大气腐蚀数据或经验公式，确定结构件腐蚀程度随服役时间t的腐蚀程度发展函数η(t)＝At
n
；通过结构件应力监测数据或荷载预测结果，并对其进行雨流计数法统计，结合设计使用年限，确定结构件在疲劳荷载等效应力幅下等效年等效循环次数dN；
[0006](b)根据不同腐蚀程度后疲劳试验数据，采用连续介质损伤力学方法(Continuum Damage Mechanism，CDM)，考察不同腐蚀程度下钢材疲劳损伤演化规律，并建立损伤演化模型参数C、β，随腐蚀程度的变化函数规律C(η),β(η)；进而计算不同腐蚀程度下单次荷载循环产生的损伤增量
[0007](c)采用“腐蚀
‑
疲劳
‑”
间歇循环加载形式或人工加速腐蚀与疲劳同时施加的形式，考虑腐蚀与交变荷载的耦合效应，并根据试验工况下循环加载间隔dt或匹配放大倍数
a，计算间歇循环加载后相应腐蚀程度η(t
i
)下损伤增量ΔD(t
i
)，累积疲劳损伤时认为疲劳破坏，对应疲劳寿命为N
f
＝dN
·
t。考察试验工况下损伤演化情况及腐蚀疲劳寿命偏差Amp＝N
test
/N
Eng
，优化调整试验方案以获得误差允许范围内的腐蚀疲劳试验结果；
[0008](d)计算考虑实际工况腐蚀速率与荷载历程在时间维度匹配的强耦合下，结构件的腐蚀疲劳寿命及疲劳损伤演化规律，考察其实际工况下不同服役年限疲劳损伤程度；对检验性试验，结合计算结果，评估实际环境腐蚀与荷载工况下结构件腐蚀疲劳性能。
[0009]根据一种具体实施方式，在所述步骤(a)中，通过大气腐蚀数据建立的腐蚀程度发展函数η(t)＝At
n
，及结构件荷载历程统计确定的年等效循环次数dN，考虑了结构件在实际工程服役环境与荷载工况下腐蚀速率与交变疲劳荷载在时间维度的匹配关系。
[0010]根据一种具体实施方式，步骤(b)中，通过腐蚀后疲劳试验数据标定损伤演化模型参数C、β，考虑了该参数的时变效应，体现为单次荷载循环产生的损伤增量的变化，反应了腐蚀对疲劳损伤演化规律及疲劳寿命的影响。其中，C(η),β(η)通过腐蚀程度η时的疲劳数据由式(1)得到：
[0011][0012]单次荷载循环产生的损伤增量由式(2)计算得到：
[0013][0014]根据一种具体实施方式，，步骤(c)中，采用腐蚀与疲劳间歇加载，即对结构件交替进行加速腐蚀试验与疲劳加载，考虑加载过程在时间维度的匹配关系，使其达到与时间间隔dt后相对应的腐蚀程度η(t
i
)和疲劳加载次数N
i
＝dN
·
t
i
，循环进行至疲劳破坏，得到其试验疲劳寿命N
test
。
[0015]进一步，步骤(c)中，采用人工加速腐蚀与疲劳同时施加的形式，通过在交变荷载施加装置上设置腐蚀环境箱实现对结构件在加载过程中的加速腐蚀；根据加载装置频率计算加速腐蚀环境达到自然大气腐蚀1年腐蚀量的时间Δt内，试验交变荷载施加次数dN
test
，得到试验疲劳加载速率与实际工况交变荷载速率间存在匹配放大倍数a＝dN
test
/dN。
[0016]进一步，步骤(c)中，按计算间隔dt更新损伤演化模型参数及损伤增量计算相应损伤增量累积疲劳损伤D＝∑ΔD＝1时认为发生疲劳破坏，得到计算疲劳寿命为N
f
＝dN
·
t。
[0017]进一步，步骤(c)中，当时间间隔dt取0.01，放大倍数a＝1时，计算得到的寿命N
Eng
即为实际腐蚀与疲劳强耦合工况下结构件腐蚀疲劳寿命；计算不同dt、a下对应疲劳寿命N
test
及腐蚀疲劳寿命偏差Amp＝N
test
/N
Eng
，评价腐蚀疲劳试验寿命与实际腐蚀与疲劳强耦合工况下(dt＝0.01时)寿命差异情况，并根据计算结果对试验方案进行调整优化。
[0018]根据一种具体实施方式，，步骤(d)中，通过定量计算，得到结构件实际工况下腐蚀疲劳寿命及损伤演化规律D
‑
t曲线，进而确定不同服役年限t对应的疲劳损伤；
[0019]进一步，步骤(d)中，对于检验性腐蚀疲劳试验，通过dt、a描述其试验工况，并通过步骤(c)中所述步骤计算其与实际工况下腐蚀疲劳寿命偏差情况，实现对实际工况下腐蚀
疲劳寿命的准确估计，进而评估实际环境腐蚀条件与交变荷载工况下结构件腐蚀疲劳性能。
附图说明
[0020]图1为本专利技术的考虑环境腐蚀速率与荷载历程匹配关系的腐蚀疲劳试验方法流程图；
[0021]图2为考虑腐蚀对非线性疲劳损伤演化规律影响的疲劳寿命计算程序流程图；
[0022]图3为自然大气腐蚀幂函数模型示意图；
[0023]图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑环境腐蚀速率与荷载历程匹配关系的腐蚀疲劳试验方法，其特征在于，考虑了结构实际服役工况下，环境腐蚀速率与交变荷载加载速率在时间维度的匹配关系，所述方法包括：(a)通过自然大气腐蚀数据或经验公式，确定结构件腐蚀程度发展函数η(t)＝At
n
；通过结构件应力监测数据或荷载预测结果，并对其进行雨流计数法统计，结合设计使用年限，确定结构件在疲劳荷载等效应力幅下等效年等效循环次数dN；(b)根据不同腐蚀程度后疲劳试验数据，采用连续介质损伤力学方法(Continuum Damage Mechanism，CDM)，考察不同腐蚀程度下钢材疲劳损伤演化规律，并建立损伤演化模型参数C、β，随腐蚀程度的变化函数规律C(η),β(η)；进而计算不同腐蚀程度下单次荷载循环产生的损伤增量(c)采用“腐蚀
‑
疲劳
‑”
间歇循环加载形式或人工加速腐蚀与疲劳同时施加的形式，考虑腐蚀与交变荷载的耦合效应，并根据试验工况下循环加载间隔dt或匹配放大倍数a，计算间歇循环加载后相应腐蚀程度η(t
i
)下损伤增量ΔD(t
i
)，累积疲劳损伤D＝∑ΔD＝1时认为疲劳破坏，对应疲劳寿命为N
f
＝dN
·
t
i
；考察试验工况下损伤演化情况及腐蚀疲劳试验寿命偏差优化调整试验方案以获得误差允许范围内的腐蚀疲劳试验结果；(d)计算考虑实际工况腐蚀速率与荷载历程在时间维度匹配的强耦合下，结构件的腐蚀疲劳寿命及疲劳损伤演化规律，考察其实际工况下不同服役年限疲劳损伤程度；对检验性试验，结合计算结果，评估实际环境腐蚀与荷载工况下结构件腐蚀疲劳性能。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)中，通过大气腐蚀数据建立的腐蚀程度发展函数η(t)＝At
n
，及结构件通过荷载历程统计确定的年等效循环次数dN，考虑了结构件在实际工程服役环境与荷载工况下腐蚀速率与交变疲劳荷载在时间维度的匹配关系。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(b)中，通过腐蚀后疲劳试验数据标定损伤演化模型参数C、β，考虑了该参数的时变效应，体现为单次荷载循环产生的损伤增量的变化，反...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘衡，宗亮，丁阳，李忠献，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：