腐蚀和疲劳联合作用下正交异性板裂纹扩展剩余寿命研究

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近年来,正交异性钢桥面板以其特殊的结构形式成为了一种效率较高的桥面板。同时,其纵肋、面板和横隔板之间的连接部位由于自身构造的复杂性和焊缝数量多,导致开裂现象尤为突出。而在实际工程中,通常受到循环荷载与腐蚀介质的耦合作用,其危害性比单独作用在桥梁上的腐蚀或者疲劳更为严重,本文基于整体—局部有限元分析和断裂力学相结合,以裂纹尖端应力强度因子为指标,引入腐蚀因子,采用工程修正模型,计算出正交异性板横隔板弧形缺口处腐蚀疲劳裂纹的剩余寿命。主要研究内容及结论如下:(1)利用微观腐蚀疲劳机理(腐蚀坑和疲劳裂纹行为)与宏观腐蚀疲劳特性(腐蚀环境下材料的疲劳抗力曲线(S-N曲线))重合部分求出裂纹扩展腐蚀加速因子Ccorr,推导出腐蚀疲劳寿命表达式,建立了正交异性板腐蚀疲劳耦合机理理论模型。该模型对比已有文献疲劳试验的疲劳强度Se降低了48.92%,由此,发现考虑腐蚀疲劳耦合效应会大大降低正交异性钢桥面板的疲劳性能。(2)为兼顾到钢桥整体的受力条件和疲劳裂纹萌生细部构造计算精度要求,利用有限元软件ABAQUS建立了包含梁单元、板壳单元和实体单元的有限元模型。建立了裂纹尺寸从1mm到35mm之间共计22组有限元模型。在考虑了车轮行驶时的横向偏移概率下,横向布载分为四种工况,选出所研究裂纹位置应力强度因子最大的一种工况为此裂纹位置最不利荷载工况。根据有限元模型相关应力图,分析了三处典型位置裂纹产生的原因,横隔板弧形区域产生的裂纹较焊缝上下缘位置虽然产生的裂纹数量少但裂纹尺寸更长。同时探究了横隔板厚度、间距以及顶板厚度等参数变化对应力强度因子的影响,相较于横隔板间距以及顶板厚度,横隔板厚度的改变对应力强度因子影响较大。(3)通过数学插值函数,基于22组应力强度因子幅建立应力强度因子幅库,再根据断裂力学理论和Pairs公式的腐蚀疲劳裂纹扩展剩余寿命评估理论以及计算流程,得到四种不同初始长度下的正交异性板横隔板弧形缺口腐蚀疲劳裂纹剩余寿命曲线。发现,短小裂纹扩展阶段占整个寿命的主要部分,达到一定裂纹长度后裂纹将急速扩展,直至达到临界裂纹长度。而相比纯机械疲劳,腐蚀疲劳裂纹扩展剩余寿命要低70.40%。通过理论模型讨论对腐蚀因子的影响因素,发现在湿热环境的的腐蚀因子明显高于其他环境。由此可见湿度和温度对腐蚀的速率影响较大。
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