一种结构腐蚀-力学耦合建模方法

本发明涉及结构腐蚀模拟，具体涉及一种结构腐蚀-力学耦合建模方法。

背景技术：

1、现阶段虽然对于金属腐蚀的研究已经非常深入，但是预测腐蚀发生和发展速率的准确性仍然有限。腐蚀后承载力预测仍然存在着许多挑战和难点，例如腐蚀过程不可预测、材料内部极端复杂的变形和失效行为等。目前对腐蚀后结构剩余承载力的预测研究主要是以锈蚀重量损失率或截面损失率来描述，进而建立与其力学性能之间的关系。但是由于腐蚀位置的不确定性，现有方法难以准确地找到结构开始破坏的位置。

2、中国专利cn114005494a公开的一种耦合方法为：定义固体质点的损伤因子，该损伤因子表示某质点近场范围内断裂的机械键与总机械键的比值；定义与浓度相关的表达式p，对所有机械键生成一个0-1之间的随机数pr。在腐蚀过程中，p会随着质点的浓度变化而变化，当p＜pr时，断开相应数量的机械键。当质点所有的机械键断开或质点浓度小于在溶液中的饱和浓度时，该质点由固体转变为液体。该发明提供的耦合方法很好地建立了质点腐蚀后浓度和机械键数量之间的关系，能够实现二者的耦合，但该发明着重展示的是腐蚀演化行为，而并未对材料腐蚀后力学性能的削弱做相关的模拟说明。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提出一种用于耦合腐蚀和力学损伤的近场动力学模型，其引入材料性能劣化函数和近场动力学屈服函数，根据腐蚀程度对材料的多项力学参数进行折减，能够更好地预测腐蚀后结构的力学性能和破坏位置。

2、为实现上述目的，本申请提出的一种结构腐蚀-力学耦合建模方法，包括：

3、建立近场动力学腐蚀模型，其包括结构模型和腐蚀溶液模型；

4、确定近场动力学腐蚀模型质点的家族成员并创建质点之间的相互作用，得到体积修正系数；该质点之间的相互作用通过固体与固体之间的浓度扩散键、溶液与溶液之间的浓度扩散键、固体与溶液之间的浓度扩散键体现；

5、通过近场动力学腐蚀模型实现结构的腐蚀模拟；

6、保存腐蚀后模型质点的坐标值和质点的腐蚀损伤值；

7、建立材料性能劣化函数，根据质点的腐蚀损伤值，分别对质点间“键”的弹性模量、屈服应力和临界能量密度进行折减；

8、建立近场动力学加载模型，其只包括结构模型；

9、确定近场动力学加载模型质点的家族成员并创建质点之间的相互作用，得到体积修正系数；该质点之间的相互作用通过固体与固体之间的机械键体现；

10、建立常规态基近场动力学屈服函数和基于能量破坏的断裂准则；

11、通过自适应动力松弛方法，得到腐蚀后结构的荷载-位移曲线：以位移加载为例，已知边界任意时刻位移。选取任一截面，输出满足条件“质点x在截面一侧且其家族成员在截面另一侧”的所有质点，提取质点对应方向的力，并乘以质点体积，累加后即可得到任意截面任意时刻的内力。

12、进一步地，所述体积修正系数为：

13、

14、其中，δ为近场范围，dx为相邻两质点的间距。

15、进一步地，所述近场动力学腐蚀模型为：

16、

17、其中，c(x,t)为质点的金属浓度，k(x′,x)为微扩散系数，||x′-x||为两个质点之间的距离，dvx′为质点体积；h(x)表示近场积分域。

18、进一步地，所述腐蚀损伤值为：

19、

20、其中，csolid为材料的固体浓度值，csat为材料在溶液中的饱和浓度值，腐蚀损伤值代表了质点的腐蚀程度，该值越大，表示腐蚀越严重。

21、进一步地，建立材料性能劣化函数方式为：获取一根“键”两端质点浓度损伤值的边界情况：

22、①此时质点无损，“键”的性能不变；

23、②表示一根“键”的两端至少有一个质点完全损伤，此时“键”失效，材料性能下降为0；

24、因此，材料性能劣化函数表示为：

25、

26、更进一步地，“键”的腐蚀后材料性能表示为：

27、

28、其中，γ0和γ分别表示腐蚀前后的材料力学性能参数，即弹性模量、屈服应力、键的临界能量密度。

29、更进一步地，建立常规态基近场动力学屈服函数方式为：

30、连续介质力学的应变能表示为体积部分+偏态部分：

31、

32、其中，是偏应力的张量表示，冯·米塞斯应力用偏应力表示为：

33、

34、常规态基近场动力学的应变能表示为：

35、

36、因此，近场动力学中的冯·米塞斯应力表示为：

37、

38、当米塞斯应力达到屈服应力σy后，键进入屈服，构造屈服函数：

39、

40、其中，k表示体积模量；θ表示近场动力学体积膨胀项；μ表示剪切模量；其中m表示加权体积；ed表示近场动力学伸长量的偏斜部分；ede表示近场动力学伸长量的偏斜部分的弹性量；ω表示影响函数。

41、本发明采用的以上技术方案，与现有技术相比，具有的优点是：基于近场动力学方法，不仅可以实现材料界面自然的溶解和相变，还可以考虑结构表面及腐蚀亚层的损伤。本发明提出的材料性能劣化函数能够实现腐蚀损伤和材料的弹性模量等参数之间的转换，更好地预测腐蚀后材料的力学性能。

技术特征：

1.一种结构腐蚀-力学耦合建模方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述一种结构腐蚀-力学耦合建模方法，其特征在于，所述体积修正系数为：

3.根据权利要求1所述一种结构腐蚀-力学耦合建模方法，其特征在于，所述近场动力学腐蚀模型为：

4.根据权利要求1所述一种结构腐蚀-力学耦合建模方法，其特征在于，所述腐蚀损伤值为：

5.根据权利要求1所述一种结构腐蚀-力学耦合建模方法，其特征在于，建立材料性能劣化函数方式为：获取一根“键”两端质点浓度损伤值的边界情况：

6.根据权利要求5所述一种结构腐蚀-力学耦合建模方法，其特征在于，“键”的腐蚀后材料性能表示为：

7.根据权利要求1所述一种结构腐蚀-力学耦合建模方法，其特征在于，建立常规态基近场动力学屈服函数方式为：

技术总结
本发明公开了一种结构腐蚀‑力学耦合建模方法，属于结构腐蚀模拟技术领域，特别涉及金属材料腐蚀后的力学性能预测。该算法运用近场动力学模型计算得到材料质点的浓度损伤值，并带入材料性能劣化函数，得到腐蚀后构件的力学参数，可以预测腐蚀后构件的力学性能。本发明能够避免由于腐蚀位置的隐蔽性或腐蚀产物的覆盖，导致无法知晓腐蚀后构件承载力的问题。可对受腐蚀问题影响的结构服役寿命进行预测。

技术研发人员：王会利
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19