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原文传递微动疲劳和腐蚀共同作用下桥梁缆索损伤演化分析

论文题名：	微动疲劳和腐蚀共同作用下桥梁缆索损伤演化分析
关键词：	桥梁缆索;微动疲劳;磨损效应;损伤演化;寿命预测
摘要：	缆索是桥梁结构最重要的受力部件之一，其安全冗余度小，索内部单根钢丝的局部细观损伤极易造成宏观结构发生“各个击破”的多米诺骨牌效应。大量研究表明，缆索钢丝受自重、风雨激振等因素影响，索梁、索塔锚固区附近往往会出现由于微动疲劳作用诱发的丝丝接触表面的磨损行为和由于雨水侵蚀、氧气渗透而导致的电化学腐蚀行为。工程实践已证明，微动疲劳和腐蚀介质的交互作用所造成的腐蚀疲劳失效是缆索钢丝典型的失效模式之一。发生微动疲劳的区域往往处于复杂的多轴应力状态，车辆、风等交变载荷会造成该区域的性能逐步劣化，且大气环境作用所造成的材料电化学腐蚀会加速性能劣化进程。目前，微动疲劳问题多简化为单轴疲劳，不考虑接触表面的小幅切向滑动，不需要定义接触算法，通常用宏观疲劳寿命代替微动疲劳寿命。这种简化方式无法考虑复杂受力体系由于接触表面的磨损和摩擦而所处的多轴应力状态，无法实现多轴微动疲劳寿命的准确估算，更无法考虑力-电化学过程的交互和相互促进作用。对于复杂受力体系，在微动疲劳载荷作用下，细观材料处于多轴应力状态且疲劳损伤不断累积，造成宏观结构力学性能不断劣化，如何通过有效建模策略和实施步骤使得环境和载荷共同作用下材料的损伤演化过程可视化，便于工程人员随时掌握和跟踪结构性能的劣化进程，是当前工程界研究的热点。　　鉴于此，本文首先建立了适用于缆索钢丝微动疲劳分析的数值模型。然后，从钢丝微动疲劳机理出发，建立考虑多轴效应的微动疲劳损伤本构模型和磨损形貌演化的模型，编写用于损伤演化分析的用户材料子程序UMAT和用于磨损形貌分析的子程序UMESHMOTION_Wear，分别实现微动疲劳作用下以及考虑磨损形貌演化的微动疲劳作用下缆索钢丝损伤演化过程的可视化并预测其疲劳寿命。进一步地，从钢丝腐蚀机理出发，建立考虑力-电化学耦合作用的蚀坑演化本构模型，编写考虑磨损和腐蚀形貌演化分析的用户子程序UMESHMOTION_Wear_Corrosion，实现同时考虑磨损形貌和腐蚀形貌演化的微动疲劳作用下缆索钢丝损伤演化过程的可视化并预测缆索寿命。最后，考虑不同拉伸载荷、不同法向接触力、不同弯曲效应等因素，研究缆索钢丝的微动疲劳特性和损伤演化过程。基于上述研究过程，本文主要工作内容如下：　　1)基于临界平面的多轴疲劳理论，选用适合钢丝微动疲劳分析的临界平面损伤参量，分别建立不考虑磨损形貌演化、考虑磨损形貌演化、同时考虑磨损和腐蚀形貌变化的微动疲劳损伤演化本构模型。研究适合缆索钢丝微动疲劳失效准则，确定其失效的判据。　　2)通过商用有限元软件ABAQUS，建立缆索丝丝接触的细观模型，依据损伤演化本构关系编写材料子程序UMAT，实现缆索钢丝在不同循环次数下累积损伤的可视化并获得微动疲劳寿命。对比模拟寿命与微动疲劳实验数据，验证材料子程序在模拟单轴、多轴工况下损伤演化过程的合理性。基于微动疲劳结果，分析接触区力学特性与裂纹萌生位置、损伤演化规律的相关性，并研究不同法向接触力、不同弯曲应力等因素对损伤演化和寿命的影响。　　3)基于接触磨损理论，编写用于接触表面磨损形貌演化分析的用户子程序UMESHMOTION_Wear，实现接触表面磨损形貌演化的模拟，并将其与开发的用于损伤分析的材料子程序UMAT协同计算，在商用软件ABAQUS中实现考虑磨损形貌演化的微动疲劳作用下缆索钢丝损伤演化过程的可视化并预测疲劳寿命。基于数值模拟结果，研究磨损形貌演化对钢丝损伤演化和微动疲劳寿命的影响。　　4)基于金属腐蚀的电化学机理，构建力载与电化学耦合作用下的蚀坑演化模型，编写同时考虑磨损和腐蚀形貌演化分析的用户子程序UMESHMOTION_Wear_Corrosion，实现丝丝接触区磨损和环境腐蚀导致的表面形貌演化的模拟，并将其与上述开发的用于损伤分析的材料子程序UMAT协同计算，在商用软件ABAQUS中实现同时考虑磨损形貌演化和蚀坑形貌演化时，缆索钢丝疲劳损伤演化的可视化并预测其疲劳寿命。基于数值模拟结果，研究腐蚀效应对接触区的形貌、损伤演化和微动疲劳寿命的影响，分析微动疲劳作用下腐蚀效应对缆索钢丝性能劣化的加速作用。　　本文的研究方法可充分考虑索梁锚固区丝丝之间由于微动疲劳作用所引起的磨损和摩擦效应，弥补了现有研究将桥梁缆索作为宏观单轴拉伸构件，仅仅考虑单个缆索宏观拉伸强度和疲劳强度的不足。同时，通过自行开发的微动磨损程序和损伤演化子程序实现对钢丝表面机械损伤的可视化，获得磨损这一机械损伤对疲劳损伤演化的影响。除此之外，本文考虑了力-电化学的相互促进和加速作用，充分研究微动疲劳和腐蚀介质共同作用下缆索的损伤演化，为力-电化学多物理场耦合作用下工程结构的性能劣化过程研究提供借鉴意义，研究结论可对缆索支承体系桥梁的力学性能劣化及准确的寿命评估提供理论支持。
作者：	武洋洋
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：	2022