[發明專利]一種基于內聚力模型的鋼結構腐蝕疲勞損傷計算方法

有效

• 申請號: 201710941903.3
• 申請日: 2017-10-11
• 公開（公告）號: CN107832492B
• 公開（公告）日: 2021-07-06
• 發明（設計）人: 徐博瀚;李紫益;顧碩
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠

1.一種基于內聚力模型的鋼結構腐蝕疲勞損傷計算方法，其特征在于，步驟如下：

(1)內聚力模型：內聚力單元節點對張開量以上下界面的位移變化||u||表示：||u||＝||u⁺-u^-||，其中u^±表示變形后上、下界面的位移；X_i表示三維空間的笛卡爾坐標，i＝1,2,...,n；表示變形后對應點的位置，表示變形后中面Γ_d上對應點的位置；則有：

在中面Γ_d上一點P建立局部坐標系，以v_n,v_s,v_t表示局部坐標系在總體坐標系中的方向余弦，構成正交旋轉張量Θ_mi＝[v_n v_s v_t]，則單元節點在總體坐標系下的位移變化向量：

Δ_m＝Θ_mi||u|| (2)

內聚力模型的本構關系以上下界面間粘結力τ_i和位移Δ_i在局部坐標系下之間的函數關系表達：

τ_i＝τ(Δ_i) (3)

其張量表達式為：

其中，d∈[0,1]表示損傷變量，K為罰剛度，-Δ₃＝(Δ₃+|Δ₃|)/2；在混合加載模式下，內聚力模型的損傷準則以位移變化的形式表示：

r^t＝max{Δ⁰,maxλ^s},0≤s≤t (8)

d^t＝G(r^t) (9)

其中，λ表示界面間位移，λ^t、λ^s表示s時刻、t時刻對應的界面間位移，r^t表示t時刻損傷閾值；d^t表示單元損傷隨時間的變化值，當d＝1時，單元破環，τ_i＝0；

在混合加載模式下，使用能量釋放率G來判斷裂縫是否擴展，當能量釋放率G超過臨界值G_c時界面開始分層，采用BK準則計算臨界能量釋放率：

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

其中，η為材料參數，在混合加載模式下，G＝G_Ι+G_shear,G_shear＝G_ΙΙ+G_ΙΙΙ；G_Ι、G_ΙΙ、G_ΙΙΙ分別代表Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型斷裂的能量釋放率；G_Ιc、G_ΙΙc表示Ⅰ型、Ⅱ型斷裂的臨界能量釋放率；

(2)實時雨流計數法：實時雨流計數法使用兩個動態堆棧，即應力峰值堆棧和應力谷值堆棧存放應力信息，其中，應力峰值堆棧按照如下流程處理：

1)判斷經預處理的應力堆棧中應力點數量是否大于1，若滿足，則從應力堆棧中提取第一個應力點，置于應力峰值堆棧內；否則，結束應力峰值計算流程；

2)判斷應力峰值堆棧內應力點數量是否大于1，若滿足，則將Mxnew賦值為應力峰值堆棧內最后一個值，Mxold賦值為應力峰值堆棧內倒數第二個值；否則，進入步驟3)；

3)重新判斷預處理的應力堆棧內應力點數量是否大于1，若滿足，則跳轉到應力谷值計算流程，否則，結束應力峰值計算流程；

4)判斷是否滿足MxnewMxold，若滿足，則進入步驟5)；否則，Mxold賦值為Mxnew，進入步驟3)；

5)判斷應力谷值堆棧內應力點數量是否為1，若滿足，則按照半循環處理，計算應力幅、平均應力的循環信息，并統計應力點編號，從應力峰值堆棧移除應力點Mxold；否則按照全循環處理，計算應力幅、平均應力的循環信息，并統計應力點編號，從應力峰值堆棧移除應力點Mxold，從應力谷值堆棧移除應力點Mnnew，跳轉到步驟3)；

應力谷值堆棧按照如下流程處理：

1)判斷經預處理的應力堆棧中應力點數量是否大于1，若滿足，則從應力堆棧中提取第一個應力點，置于應力谷值堆棧內；否則，結束應力谷值計算流程；

2)判斷應力谷值堆棧內應力點數量是否大于1，若滿足，則將Mnnew賦值為應力谷值堆棧內最后一個值，Mnold賦值為應力谷值堆棧內倒數第二個值；否則，進入步驟3)；

3)重新判斷預處理的應力堆棧內應力點數量是否大于1，若滿足，則跳轉到應力峰值計算流程，否則，結束應力谷值計算流程；

4)判斷是否滿足MnnewMnold，若滿足，則進入步驟5)；否則，Mnold賦值為Mnnew，進入步驟3)；

5)判斷應力峰值堆棧內應力點數量是否為1，若滿足，則按照半循環處理，計算應力幅、平均應力的循環信息，并統計應力點編號，從應力谷值堆棧移除應力點Mnold；否則按照全循環處理，計算應力幅、平均應力的循環信息，并統計應力點編號，從應力谷值堆棧移除應力點Mnold，從應力峰值堆棧移除應力點Mxnew，跳轉到步驟3)；

(3)有限元模型內聚力單元更新：當裂縫前緣內聚力單元發生損傷時，查找滿足如下條件的實體單元：

1)與裂縫前緣內聚力單元外側節點相連接；

2)實體單元的任意面不能與該內聚力單元任意界面重合；

3)滿足條件步驟1)和2)的實體單元應當與另一個也滿足條件步驟1)和2)的實體單元存在公共面；

將滿足以上條件且存在公共面的實體單元之間以內聚力單元連接，具體連接方法為：假定存在公共面的兩個實體單元分別為A和B，查詢實體單元A和B的所有節點編號及公共面上節點編號并保存；定義實體單元B在公共面上節點集為C，B的其它節點組成節點集D，在節點集C的所有節點成員所在位置新建重合節點，形成節點集E；刪除實體單元B；以新建節點集E和節點集D重新組合為新實體單元B；以節點集C和節點集E生成兩個面，組成新的內聚力單元；

(4)腐蝕效應處理：采用蒙特卡洛方法生成半球狀點蝕蝕坑，隨時間變化蝕坑逐漸演化為半橢球狀，應用有效應力集中系數K_f判定蝕坑發展的過程中新裂紋的生成：

考慮蝕坑尺寸遠小于構件尺寸，對于半橢球形蝕坑取應力集中系數K_t＝1+2a/h；蝕坑底部曲率半徑ρ＝a²/h，a為半橢球狀蝕坑表面圓的半徑，點蝕蝕坑深度h隨時間變化表示為：

h＝αt^β (12)

式中，α、β為材料常數，二者通過試驗數據回歸分析得到。