一种考虑腐蚀-疲劳耦合作用的平行钢丝疲劳寿命评估方法

1.本发明涉及平行钢丝疲劳寿命评估，具体来说，涉及一种考虑腐蚀-疲劳耦合作用的平行钢丝疲劳寿命评估方法。

背景技术：

2.平行钢丝是缆索承重桥梁的重要受力构件，但当防护不当后，钢丝容易受到环境腐蚀影响，在该作用下钢丝表面会产生腐蚀坑进而发展成为裂纹破坏钢丝结构，从而大幅度降低钢丝的使用寿命，因此腐蚀环境对平行钢丝的服役寿命有着很大的影响。此外，随着钢丝服役年限的延长，其在疲劳荷载作用下会产生裂纹，而裂纹处的腐蚀速率也会变快。因此，需要开展考虑腐蚀-疲劳耦合作用下平行钢丝疲劳寿命研究。目前，现有的理论模型仍然很难完全表征钢丝的腐蚀疲劳耦合过程，因而所获得的疲劳寿命曲线也不能完全反应钢丝的真实服役情况。此外，由于钢丝材料自身物理特性的特殊性，即其在服役期间需要承担一定的拉力，而拉力大小的变化又会影响其疲劳寿命。因此，需要建立考虑了腐蚀-疲劳相互耦合作用关系及平行钢丝自身物理特征的疲劳寿命评估方法，提高平行钢丝疲劳寿命预测精度。

技术实现要素：

3.针对现有理论模型的缺陷，本发明的目的在于建立一种考虑腐蚀-疲劳耦合作用的平行钢丝疲劳寿命评估方法。
4.为实现上述目的，本发明提出了一种考虑了腐蚀-疲劳相互耦合作用关系及平行钢丝自身物理特征的疲劳寿命评估方法，包括以下步骤：
5.在腐蚀疲劳点蚀坑萌生阶段，根据法拉第定律点蚀坑增长速率可以表示为：
[0006][0007][0008][0009]
式中，v为点蚀坑的体积；a、b和c分别为点蚀坑深度、宽度、长度；m为钢材的摩尔质量；n为释放电子数；f为法拉第常数其值为96500c/mol；ρ为材料密度；i
p
为点蚀坑处电流；为电蚀电流系数；δh为单位体积活化能变化量，δh＝15.5
×
103j/mol；r为气体常数，r＝8.314j/mol
·
k；t为绝对温度，t＝293k。
[0010]
随着腐蚀作用的不断增强，点蚀坑会逐渐的扩展成为短裂缝扩展阈值：
[0011]
[0012]
因此，腐蚀坑向裂纹转化的临界尺寸a
psc
可以被表达为：
[0013][0014]
式中，k
t
为应力集中系数，其与腐蚀坑形貌(b/a)大小和受到的荷载相关；
[0015]
结合上述计算过程，点蚀坑萌生阶段历时td可以被表达为：
[0016][0017]
为考虑疲劳荷载对腐蚀过程的加速作用，点蚀坑萌生阶段历时td可以被修正为：
[0018][0019]
式中，c
p
为循环荷载作用因子；s为应力幅。
[0020]
随着腐蚀坑的不断增大，腐蚀坑会逐渐向裂纹转换，此时钢丝表面会出现短裂纹，根据断裂力学理论可得：
[0021][0022][0023][0024]
式中，c
corr
为裂纹扩展腐蚀加速因子；cs为短裂纹的疲劳系数；ms为短裂纹疲劳指数；s为应力幅；ns为应力循环次数，其可以通过时间t和频率f相乘得到。y为裂纹形状因子；d为钢丝直径
[0025]
因此，在短裂纹的扩展阶段，其历时ts为：
[0026][0027]atr
为短裂纹过渡到长裂纹的临界尺寸；当裂缝进一步的扩展，即成为长裂纹时，其表达式为：
[0028][0029]
式中，c
l
为长裂纹疲劳系数；m
l
为长裂纹疲劳指数。
[0030]
因此，在长裂纹的扩展阶段，其历时t
l
为：
[0031][0032]
式中，a
lr
为长裂纹扩展到失效的临界尺寸，其值为0.5d。
[0033]ccorr
为裂纹扩展腐蚀加速因子可以被表示为：
[0034][0035]
式中，a1和m为传统疲劳寿命曲线和腐蚀疲劳非耦合寿命中的参数。
[0036]
传统疲劳寿命曲线：
[0037]
log n+m log(s)＝log a
[0038]
式中，n为循环次数；s为疲劳应力幅值；m为与钢丝材料相关的常数，其值为3.5；a为与钢丝材料相关的常数。
[0039]
传统腐蚀疲劳非耦合寿命中的参数：
[0040]
a1＝a/kf[0041]
kf＝1.2+5.77c(t)
[0042]
c(t)＝ktr[0043]
式中，c(t)表示点蚀深度函数；t为服役年限；k为服役一年后的腐蚀深度(mm)；r为腐蚀速率；kf为疲劳折减系数。
[0044]
当考虑钢丝受力状态时，a可以修正为：
[0045][0046]
式中，sb为平行钢丝极限抗拉强度；sm为平行钢丝受力状态；
[0047]
根据上述腐蚀疲劳点蚀坑萌生历时、腐蚀疲劳短裂纹扩展历时和腐蚀疲劳长裂纹扩展历时可以得到在腐蚀作用下的疲劳寿命：
[0048][0049]
积分后并两边乘以加载频率后，可以计算出对应的应力循环次数，即得到在腐蚀作用下考虑点蚀坑萌生-短裂纹扩展-长裂纹扩展的三阶段疲劳-寿命(s-n)曲线：
[0050]
本发明的有益效果是：本发明综合考虑了腐蚀-疲劳耦合作用，以及平行钢丝自身物理特征的；基于平行钢丝点蚀坑萌生、疲劳短裂纹扩展及疲劳长裂纹扩展三阶段，建立平行钢丝疲劳寿命评估模型，可提高疲劳预测精度，能够用于预测平行钢丝疲劳寿命。
附图说明
[0051]
图1为点蚀坑形貌。
[0052]
图2为三种疲劳寿命曲线对比。
具体实施方式
[0053]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
[0054]
在腐蚀疲劳点蚀坑萌生阶段，根据法拉第定律点蚀坑增长速率可以表示为：
[0055][0056][0057][0058]
式中，v为点蚀坑的体积；a、b和c分别为点蚀坑深度、宽度、长度，如图1所示；m为钢材摩尔质量；n为释放电子数；f为法拉第常数其值为96500c/mol；ρ为材料密度；i
p
为点蚀坑处电流；为电蚀电流系数；δh为单位体积活化能变化量，δh＝15.5
×
103j/mol；r为气体常数，r＝8.314j/mol
·
k；t为绝对温度，t＝293k。
[0059]
随着腐蚀作用的不断增强，点蚀坑会逐渐的扩展成为短裂缝扩展阈值：
[0060][0061]
因此，腐蚀坑向裂纹转化的临界尺寸a
psc
可以被表达为：
[0062][0063]
式中，k
t
为应力集中系数，其与腐蚀坑形貌大小和受到的荷载相关；
[0064]
结合上述计算过程，点蚀坑萌生阶段历时可以被表达为：
[0065][0066]
为考虑疲劳荷载对腐蚀过程的加速作用，点蚀坑萌生阶段历时可以被修正为：
[0067][0068]
式中，c
p
为循环荷载作用因子；s为应力幅。
[0069]
随着腐蚀坑的不断增大，腐蚀坑会逐渐向裂纹转换，此时钢丝表面会出现短裂纹，根据断裂力学理论可得：
[0070][0071][0072][0073]
式中，c
corr
为裂纹扩展腐蚀加速因子；cs为短裂纹的疲劳系数；ms为短裂纹疲劳指数；s为应力幅；ns为应力循环次数，其可以通过时间t和频率f相乘得到。y为裂纹形状因子；d为钢丝直径
[0074]
因此，在短裂纹的扩展阶段，其历时为：
[0075][0076]
当裂缝进一步的扩展，即成为长裂纹时，其表达式为：
[0077][0078]
式中，c
l
为长裂纹疲劳系数；m
l
为长裂纹疲劳指数。
[0079]
因此，在长裂纹的扩展阶段，其历时为：
[0080][0081]
式中，a
lr
为长裂纹扩展到失效的临界尺寸，其值为0.5d。
[0082]ccorr
为裂纹扩展腐蚀加速因子可以被表示为：
[0083][0084]
式中，a1和m为传统疲劳寿命曲线和腐蚀疲劳非耦合寿命中的参数。
[0085]
传统疲劳寿命曲线：
[0086]
log n+m log(s)＝log a
[0087]
式中，n为循环次数；s为疲劳应力幅值；m为与钢丝材料相关的常数，其值为3.5；a为与钢丝材料相关的常数。
[0088]
传统腐蚀疲劳非耦合寿命中的参数：
[0089]
a1＝a/kf[0090]
kf＝1.2+5.77c(t)
[0091]
c(t)＝ktr[0092]
式中，c(t)表示点蚀深度函数；t为服役年限；k为服役一年后的腐蚀深度(mm)；r为腐蚀速率；kf为疲劳折减系数。
[0093]
当考虑钢丝受力状态时，a可以修正为：
[0094][0095]
式中，sb为平行钢丝极限抗拉强度；sm为平行钢丝受力状态
[0096]
根据上述腐蚀疲劳点蚀坑萌生历时、腐蚀疲劳短裂纹扩展历时和腐蚀疲劳长裂纹扩展历时可以得到在腐蚀作用下的疲劳寿命：
[0097][0098]
积分后并两边乘以加载频率后，可以计算出对应的应力循环次数，即得到在腐蚀作用下考虑点蚀坑萌生-短裂纹扩展-长裂纹扩展的三阶段疲劳-寿命(s-n)曲线：
[0099][0100]
计算案例：假设腐蚀坑形貌尺寸a＝b＝c＝1mm，d＝14mm，k
t
＝2.34，c
p
＝1.01，i
p
＝1.31
×
10-9
c/s，k＝0.047，r＝0.39，f＝1hz，a
tr
取值为1mm，cs取值为9.38
×
10-13
，ms取值为3，c
l
取值为2.7
×
10-11
，m
l
取值为2.88，c
p
取值为1，m为56
×
10-3
kg/mol，n为2；ρ为7850kg/m3；δk
th
取值为2mpa
·m0.5
；极限抗拉强度为1860mpa，受力状态为1050mpa。根据gb50017-2017《钢结构设计规范》，其容许应力幅的总循环次数n规定为2
×
106次。因此，假设当总循环次数n＝2
×
106时，基于疲劳寿命曲线计算出的应力幅为143mpa；基于腐蚀疲劳寿命曲线(非耦合)计算出的应力幅为106mpa；基于腐蚀疲劳耦合寿命曲线计算出的应力幅为53mpa，如图2所示。
[0101]
可见，考虑腐蚀作用后，其疲劳性能会迅速降低；当考虑腐蚀疲劳耦合作用时，其抗疲劳性能相比于非耦合作用下降一半。
[0102]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种考虑腐蚀-疲劳耦合作用的平行钢丝疲劳寿命评估方法，其特征在于，包括以下步骤：基于法拉第定律点蚀坑增长速率公式，推导平行钢丝点蚀坑萌生阶段历时；基于断裂力学理论，分别推导得到平行钢丝短裂纹和长裂纹扩展历时；基于传统s-n曲线和预腐蚀过程，推导得到裂纹扩展腐蚀加速因子表达式；基于上述，腐蚀疲劳点蚀坑萌生历时、腐蚀疲劳短裂纹扩展历时和腐蚀疲劳长裂纹扩展历时的总和即为腐蚀作用下的疲劳寿命，从而可建立得到考虑点蚀坑萌生-短裂纹扩展-长裂纹扩展的三阶段疲劳-寿命曲线表达式。2.根据权利要求1所述的腐蚀-疲劳耦合作用的平行钢丝疲劳寿命评估方法，其特征在于，采用法拉第定律点蚀坑增长速率公式计算平行钢丝点蚀坑萌生阶段历时t
d
：式中，b和c分别为点蚀坑宽度、长度；c
p
为循环荷载作用因子；为腐蚀坑形状参数；m为钢材摩尔质量；n为释放电子数；f为法拉第常数，其值为96500c/mol；ρ为材料密度；i
p
为点蚀坑处电流；a
psc
为腐蚀坑向裂纹转化的临界尺寸；s为应力幅。3.根据权利要求2所述的腐蚀-疲劳耦合作用的平行钢丝疲劳寿命评估方法，其特征在于，基于断裂力学理论，推导得到平行钢丝短裂纹扩展历时t
s
：：式中，f为循环荷载加载频率；a
tr
为短裂纹过渡到长裂纹的临界尺寸；c
corr
为裂纹扩展腐蚀加速因子；c
s
为短裂纹的疲劳系数；m
s
为短裂纹疲劳指数；y为裂纹形状因子，a为点蚀坑深度。4.根据权利要求3所述的腐蚀-疲劳耦合作用的平行钢丝疲劳寿命评估方法，其特征在于，基于断裂力学理论，推导得出平行钢丝长裂纹扩展历时t
l
：式中，c
l
为长裂纹疲劳系数；m
l
为长裂纹疲劳指数；a
lr
为长裂纹扩展到失效的临界尺寸，其值为0.5d；d为钢丝直径。5.根据权利要求4所述的腐蚀-疲劳耦合作用的平行钢丝疲劳寿命评估方法，其特征在于，基于传统s-n曲线和预腐蚀过程，推导得出裂纹扩展腐蚀加速因子c
corr
表达式；a1＝a/k
f
k
f
＝1.2+5.77c(t)
c(t)＝kt
r
式中，s为疲劳应力幅值；s
b
为平行钢丝极限抗拉强度；s
m
为平行钢丝受力状态；m为与材料相关的常数，其值为3.5；c(t)表示点蚀深度函数；t为服役年限；k为服役一年后的腐蚀深度(mm)；r为腐蚀速率；k
f
为疲劳折减系数。6.根据权利要求5所述的腐蚀-疲劳耦合作用的平行钢丝疲劳寿命评估方法，其特征在于，在腐蚀作用下的疲劳寿命：由此建立考虑点蚀坑萌生-短裂纹扩展-长裂纹扩展的三阶段疲劳-寿命曲线表达式，为：n为循环次数。

技术总结

本发明公开了一种考虑腐蚀-疲劳耦合作用的平行钢丝疲劳寿命评估方法，该方法包括考虑腐蚀-疲劳耦合作用下，平行钢丝点蚀坑萌生、疲劳短裂纹扩展及疲劳长裂纹扩展三阶段；此外，考虑平行钢丝自身独特的物理特性，即存在内部拉力，建立平行钢丝疲劳寿命评估模型。本发明提供了一种考虑腐蚀-疲劳相互耦合作用关系及平行钢丝自身物理特征的疲劳寿命评估方法，能够用于预测平行钢丝疲劳寿命。够用于预测平行钢丝疲劳寿命。够用于预测平行钢丝疲劳寿命。