【摘要】：腐蝕作為金屬材料常見的損傷方式之一,在石油管道、海洋結(jié)構(gòu)、核反應堆、航空航天、武器裝備等領域廣泛存在。由于周圍環(huán)境介質(zhì)和所承受載荷的長期作用,金屬材料與結(jié)構(gòu)的服役性能會隨著腐蝕的產(chǎn)生發(fā)展逐步退化,甚至造成突發(fā)性破壞導致重大經(jīng)濟損失和惡性事故,給關鍵零件與結(jié)構(gòu)的安全服役帶來風險。材料與結(jié)構(gòu)的腐蝕是一個十分復雜的過程,科學認識含腐蝕損傷結(jié)構(gòu)的服役狀態(tài),研究其相應的可靠性分析方法,對于我國機械行業(yè)重大裝備的服役壽命評估、可持續(xù)安全發(fā)展等均具有重要意義。當前隨著機械零件與結(jié)構(gòu)服役條件的日益復雜,無論是宏觀大型構(gòu)件的破壞還是微觀元器件的失效,其失效機制均具有多尺度和多場耦合的特點,特別是化學-力學作用下的失效機制值得深入研究。本文以核工業(yè)和航空領域廣泛應用的金屬材料在腐蝕環(huán)境和力學載荷下的壽命預測與健康評估為研究背景,開展典型金屬材料的點蝕試驗、點蝕生長數(shù)值模擬方法、故障物理模型以及考慮混合不確定性的結(jié)構(gòu)可靠性分析方法的研究;為相關裝備的全壽命設計理論與安全可靠運行提供技術支撐。本文的主要研究工作及其創(chuàng)新點概括如下:(1)對HR-2不銹鋼與316L不銹鋼進行了含應力加載的點蝕實驗,研究了應力加載對材料微觀點蝕損傷以及宏觀力學性能變化的影響。微觀電鏡掃描結(jié)果表明,不銹鋼在腐蝕環(huán)境下仍有微觀點蝕痕跡,在應力與環(huán)境耦合作用下的試樣的腐蝕程度更為嚴重;宏觀力學性能測試表明,試樣材料極限強度有一定變化,可為實際核工程結(jié)構(gòu)設計的選材和性能分析提供依據(jù)。(2)針對應力與腐蝕環(huán)境耦合作用下的點蝕生長過程,基于Comsol Multiphysics平臺建立了應力場與腐蝕電位場以及點蝕坑幾何形狀生長的多物理場模擬模型,開發(fā)了相應的MATLAB與COMSOL計算耦合程序,能夠?qū)崿F(xiàn)單個點蝕坑在應力加載下的生長過程模擬。建模過程中采用時間離散計算策略建立了考慮應力加載效應的點蝕生長過程的有限元迭代算法,實現(xiàn)了力學加載與環(huán)境耦合作用下的點蝕生長多物理場建模與數(shù)值模擬。(3)基于腐蝕疲勞模型和斷裂力學理論,針對恒定應力加載下的結(jié)構(gòu)點蝕生長失效問題,建立了考慮應力加載效應的點蝕損傷演化導致開裂失效的故障物理模型。該模型涵蓋點蝕生長、點蝕轉(zhuǎn)化為裂紋、裂紋擴展三階段,能夠更接近工程實際情況。針對制約復雜結(jié)構(gòu)可靠性分析中的計算效率與精度問題,建立了基于自適應抽樣Kriging代理模型的結(jié)構(gòu)含點蝕損傷可靠性分析方法和計算框架。與蒙特卡洛方法、一階可靠性方法的對比研究表明,自適應抽樣Kriging代理模型計算方法具有較高的計算效率和精度。(4)針對腐蝕等實際工程問題中隨機和認知不確定性同時存在時的結(jié)構(gòu)可靠性分析,在討論裕量與不確定性量化(QMU)相關概念的基礎上,重點研究了基于證據(jù)理論和Kriging代理模型的混合不確定性傳播計算方法,提出了證據(jù)理論框架下度量結(jié)構(gòu)性能裕量和不確定性的計算表達式。在此基礎上,應用上述方法分別對結(jié)構(gòu)點蝕轉(zhuǎn)裂紋斷裂失效以及強度損減失效開展了算例研究,結(jié)果表明,本文建立的QMU度量方法能夠有效求解結(jié)構(gòu)腐蝕損傷導致的失效問題,同時,QMU方法可作為傳統(tǒng)可靠性理論的補充,用于度量系統(tǒng)可接受風險時的系統(tǒng)可靠性評估。
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【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TG171

【參考文獻】

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本文編號：2324722