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原文传递腐蚀介质和循环荷载作用下缆索的疲劳损伤演化过程研究

论文题名：	腐蚀介质和循环荷载作用下缆索的疲劳损伤演化过程研究
关键词：	索支承体系桥梁;缆索体系;疲劳损伤;演化过程;腐蚀介质;循环荷载
摘要：	缆索作为索支承体系桥梁的主要受力构件，其服役期间的健康状态会直接影响桥梁的运营安全。腐蚀介质和疲劳荷载共同作用下缆索的腐蚀疲劳失效是索支承桥梁典型的失效模式之一，严重影响其安全性和耐久性。腐蚀疲劳失效的本质是电化学过程和力学过程的交互作用，这种作用远超过交变应力和腐蚀介质单独作用的简单叠加。为研究缆索体系在腐蚀介质和疲劳荷载作用下的损伤演化过程并预测其寿命，本文首先从金属腐蚀的电化学本质出发，利用元胞自动机技术建立锈蚀缆索的数值模型。然后基于材料损伤本构关系编写了用户材料子程序(UMAT)，并考虑缆索内部丝丝间的接触摩擦，实现疲劳荷载作用下锈蚀缆索损伤演化过程的可视化并获得其疲劳寿命。在上述研究基础上，利用Gutman模型分析力学对腐蚀的加速作用及对初始锈蚀形貌的影响，实现力-电化学耦合过程分析，研究两者耦合作用对缆索疲劳寿命的影响。基于上述研究过程，本文主要工作内容与研究成果如下：　　（1）针对缆索丝丝之间的摩擦问题，定义了法向接触为硬接触，切向接触采用罚函数法。利用PYTHON语言将分析步分解为多个增量子步来有效解决接触摩擦造成的不收敛问题，并基于“循环块”方法实现疲劳荷载的循环加载过程，大幅提高了计算效率；　　（2）基于材料损伤本构方程，编写了用户材料子程序UMAT并考虑缆索丝丝之间的摩擦，实现了疲劳荷载作用下无腐蚀缆索损伤演化过程的可视化，并通过量化劣化速率获得了疲劳寿命；　　（3）依次借助元胞自动机的MATLAB程序、AutoCAD和商用软件RHINO分别获得三维蚀坑的点坐标、网格模型和缆索的三维实体模型，导入商用软件ABAQUS获得了缆索三维有限元模型，利用PYTHON语言实现疲劳荷载的循环加载，基于上述已验证的UMAT程序实现含随机蚀坑的缆索的损伤演化过程的可视化，计算锈蚀缆索疲劳寿命并探讨蚀坑形貌对损伤演化速率和寿命的影响。研究结果表明：含随机蚀坑的缆索的寿命低于含规则半椭球蚀坑的缆索的寿命，表明工程上广泛采用的规则半椭球缺陷来模拟工程构件表面的腐蚀缺陷会使得预测的寿命偏于不安全。相比于蚀坑宽度而言，蚀坑深度对缆索的寿命的影响更为显著；　　（4）基于Gutman模型修正元胞自动机的MATLAB程序，实现疲劳荷载辅助作用下腐蚀演化过程的模拟，编写UMAT程序获得等效塑性应变用以更新元胞自动机程序中的“腐蚀概率矩阵”，从而实现疲劳荷载和腐蚀介质两者的耦合和交互。研究两者耦合作用下的缆索的损伤演化过程，并预测缆索寿命。研究结果表明：相比于预腐蚀缆索而言，腐蚀疲劳耦合作用会加速缆索的腐蚀疲劳失效过程。加载应力范围较小时，疲劳寿命基本不变，随着应力范围增大，疲劳寿命与预腐蚀缆索结构相比降低了30%到40%。　　本文的研究方法可充分考虑缆索丝丝间的摩擦作用，弥补了现有研究为了简化计算，均将钢丝束或钢绞线的丝丝接触单纯作为“节点耦合”来处理。另外，本文实现了力学对于电化学过程的促进和加速作用，充分研究了疲劳荷载对缆索初始腐蚀形貌的影响，并进一步研究了腐蚀形貌对缆索损伤演化和寿命的影响，为研究腐蚀介质和疲劳荷载的耦合作用提供借鉴意义。本文的研究结论对工程中的缆索性能劣化及准确的寿命评估具有理论支持及现实意义。
作者：	鲁谦瑞
专业：	力学;工程力学
导师：	王莹
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2021