原文传递
坑蚀高强钢丝疲劳损伤评估与寿命预测方法研究
| 论文题名： | 坑蚀高强钢丝疲劳损伤评估与寿命预测方法研究 |
| 关键词： | 桥梁构件;蚀坑高强钢丝;疲劳损伤;寿命预测;连续介质损伤力学;弱磁效应检测 |
| 摘要： | 拉索和吊杆在服役过程中受到腐蚀环境和疲劳荷载的共同作用，腐蚀环境中其内部钢丝会产生蚀坑，从而降低构件的疲劳性能，其疲劳损伤直接影响桥梁结构体系的安全。因此需要研究在疲劳荷载作用下坑蚀钢丝的疲劳寿命及其损伤演化规律。本文通过坑蚀钢丝疲劳试验研究了考虑蚀坑系数的疲劳曲线，在ABABQUS的二次开发平台（UMAT）上引入连续介质损伤力学（Continuum damage mechanics, CDM）建立了弹塑性疲劳损伤模型预测了疲劳寿命，分析了坑蚀钢丝的损坏和应力演化，基于弱磁效应检测了坑蚀钢丝疲劳过程中的磁信号，研究了磁信号与断裂力学裂纹扩展模型参数之间的关系，并通过试验结果验证了其有效性。本文主要研究内容及成果如下： （1）为了研究坑蚀对高强钢丝的疲劳性能的影响，进行了5根无锈蚀钢丝和25根通电加速锈蚀方法制作的坑蚀高强钢丝试件的单轴拉伸疲劳试验。研究结果表明：由于截面积减小和蚀坑应力集中，高强钢丝的疲劳断裂均发生在蚀坑部位；蚀坑对钢丝疲劳寿命的影响主要表现为S-N曲线的下移和衰减速率变化，基于考虑应力幅和蚀坑的影响规律建立了以指数函数修正的坑蚀高强钢丝的统一S-Nc曲线方程；验算结果证明该模型在相对较低的疲劳寿命段具有较好的适应性，误差基本在±30%以内。 （2）为了研究坑蚀高强钢丝疲劳性能及其损伤演化，开展了钢丝疲劳寿命试验，通过ABAQUS平台的UMAT二次开发引入连续介质损伤力学，建立了预测疲劳寿命的有限元模型。结果表明：疲劳寿命预测值与实验值误差在±20%以内；并且CDM模拟的应力和损伤演化结果表明，疲劳寿命的前中期，应力集中在蚀坑底部，损伤最先出现在应力集中区域；疲劳寿命发展末期，蚀坑底部材料损伤破坏，蚀坑周围发生了应力重分布；该结果与试验现象相吻合，试件断面裂纹扩展区出现在蚀坑底部，并且坑蚀钢丝突然疲劳断裂发生在蚀坑处。 （3）在坑蚀高强钢丝疲劳试验的过程中检测了弱磁信号，分析了弱磁信号在坑蚀钢丝疲劳过程中的变化规律，并且与断裂力学的裂纹扩展模型的预测结果对比。结果表明，弱磁信号的特征参数可以有效的反映坑蚀钢丝疲劳损伤到疲劳断裂失效的过程，并且与断裂力学的裂纹扩展模型中的参数具有明显的相关性，根据该相关性建立了弱磁参数与裂纹扩展参数的定量关系，依据上述关系提出了弱磁信号评估坑蚀钢丝疲劳裂纹扩展的过程，通过试验结果验证了弱磁信号可以较好的表征裂纹扩展行为。 |
| 作者： | 卢泽坤 |
| 专业： | 土木工程 |
| 导师： | 毛江鸿;罗林 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 重庆交通大学 |
| 学位年度： | 2023 |
检索历史
应用推荐
