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腐蚀-疲劳耦合作用下桥梁缆索用高强钢丝的损伤劣化过程研究

腐蚀疲劳；缆索用高强钢丝；元胞自动机；损伤演化；寿命预测；

计算力学在工程中的应用 > 断裂、疲劳与损伤等行为研究

桥梁缆索长期承受交变载荷并暴露于污染严重的自然环境中，腐蚀-疲劳破坏是缆索用高强钢丝典型的失效模式之一。本文从腐蚀疲劳损伤演化的理论出发，基于对腐蚀缺陷本质特征的合理描述，利用元胞自动机技术建立含初始随机缺陷的高强钢丝的几何模型，编写用户材料子程序对钢丝腐蚀疲劳损伤演化过程进行数值模拟，评估钢丝的腐蚀疲劳损伤并预测其寿命，揭示钢丝腐蚀疲劳失效的机理以及不同类型和不同尺度的腐蚀缺陷对力学性能的影响。研究结果表明：基于元胞自动机技术可模拟高强钢丝上点蚀坑的萌生过程，获得钢丝表面的初始随机不规则点蚀缺陷的形态和位置数据。利用MATLAB、AutoCAD、RHINO和ABAQUS软件间的接口程序，可以实现含初始点蚀缺陷的高强钢丝数值模型的可视化，该过程无需对初始点蚀缺陷做出预先假定，能够充分考虑金属腐蚀过程的随机性，并较好地展现钢丝表面点蚀形貌的分布。针对腐蚀疲劳损伤分析的特点，设置基于循环块的求解过程，并通过PYTHON语言编写的脚本程序实现了循环载荷的施加。借助生死单元法的思想，利用FORTRAN语言编写的用户材料子程序UMAT实现了腐蚀疲劳损伤演化过程的可视化。对高强钢丝在疲劳载荷作用下和腐蚀-疲劳耦合作用下的损伤演化过程进行模拟，并预测含初始点蚀缺陷的高强钢丝的寿命。计算结果表明：在疲劳载荷作用下，点蚀坑底的高应力区最早出现损伤单元，损伤区域的分布情况会受到点蚀坑形貌的影响。随着循环载荷的施加，疲劳损伤不断累积并深入到钢丝内部，损伤演化的速率逐渐增大，且钢丝模型中的应力分布会随损伤的累积而发生改变。随着初始腐蚀程度的增加，钢丝的疲劳性能逐渐下降，应力集中是造成预腐蚀钢丝疲劳寿命衰减的主要原因。由于随机点蚀坑中尖角的存在，含随机点蚀坑的锈蚀钢丝的疲劳寿命远小于含规则半椭球点蚀坑的锈蚀钢丝的疲劳寿命。在腐蚀疲劳的耦合作用下，腐蚀介质和疲劳载荷之间相互促进，导致材料抗疲劳性能的大幅衰退。在不同的应力水平下，腐蚀作用对钢丝疲劳性能的影响程度不同，且在损伤演化的过程中，腐蚀疲劳相互耦合的效应不断增强，对钢丝性能的不利影响逐步增大。