【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(yīng)堆、航空航天、武器裝備等領(lǐng)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(dǎo)致重大經(jīng)濟(jì)損失和惡性事故,給關(guān)鍵零件與結(jié)構(gòu)的安全服役帶來風(fēng)險。材料與結(jié)構(gòu)的腐蝕是一個十分復(fù)雜的過程,科學(xué)認(rèn)識含腐蝕損傷結(jié)構(gòu)的服役狀態(tài),研究其相應(yīng)的可靠性分析方法,對于我國機(jī)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(dāng)前隨著機(jī)械零件與結(jié)構(gòu)服役條件的日益復(fù)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(jī)制均具有多尺度和多場耦合的特點(diǎn),特別是化學(xué)-力學(xué)作用下的失效機(jī)制值得深入研究。本文以核工業(yè)和航空領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的金屬材料在腐蝕環(huán)境和力學(xué)載荷下的壽命預(yù)測與健康評估為研究背景,開展典型金屬材料的點(diǎn)蝕試驗(yàn)、點(diǎn)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(guān)裝備的全壽命設(shè)計(jì)理論與安全可靠運(yùn)行提供技術(shù)支撐。本文的主要研究工作及其創(chuàng)新點(diǎn)概括如下:(1)對HR-2不銹鋼與316L不銹鋼進(jìn)行了含應(yīng)力加載的點(diǎn)蝕實(shí)驗(yàn),研究了應(yīng)力加載對材料微觀點(diǎn)蝕損傷以及宏觀力學(xué)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(diǎn)蝕痕跡,在應(yīng)力與環(huán)境耦合作用下的試樣的腐蝕程度更為嚴(yán)重;宏觀力學(xué)性能測試表明,試樣材料極限強(qiáng)度有一定變化,可為實(shí)際核工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的選材和性能分析提供依據(jù)。(2)針對應(yīng)力與腐蝕環(huán)境耦合作用下的點(diǎn)蝕生長過程,基于Comsol Multiphysics平臺建立了應(yīng)力場與腐蝕電位場以及點(diǎn)蝕坑幾何形狀生長的多物理場模擬模型,開發(fā)了相應(yīng)的MATLAB與COMSOL計(jì)算耦合程序,能夠?qū)崿F(xiàn)單個點(diǎn)蝕坑在應(yīng)力加載下的生長過程模擬。建模過程中采用時間離散計(jì)算策略建立了考慮應(yīng)力加載效應(yīng)的點(diǎn)蝕生長過程的有限元迭代算法,實(shí)現(xiàn)了力學(xué)加載與環(huán)境耦合作用下的點(diǎn)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(xué)理論,針對恒定應(yīng)力加載下的結(jié)構(gòu)點(diǎn)蝕生長失效問題,建立了考慮應(yīng)力加載效應(yīng)的點(diǎn)蝕損傷演化導(dǎo)致開裂失效的故障物理模型。該模型涵蓋點(diǎn)蝕生長、點(diǎn)蝕轉(zhuǎn)化為裂紋、裂紋擴(kuò)展三階段,能夠更接近工程實(shí)際情況。針對制約復(fù)雜結(jié)構(gòu)可靠性分析中的計(jì)算效率與精度問題,建立了基于自適應(yīng)抽樣Kriging代理模型的結(jié)構(gòu)含點(diǎn)蝕損傷可靠性分析方法和計(jì)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(yīng)抽樣Kriging代理模型計(jì)算方法具有較高的計(jì)算效率和精度。(4)針對腐蝕等實(shí)際工程問題中隨機(jī)和認(rèn)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(guān)概念的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)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(jì)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(jì)算表達(dá)式。在此基礎(chǔ)上,應(yīng)用上述方法分別對結(jié)構(gòu)點(diǎn)蝕轉(zhuǎn)裂紋斷裂失效以及強(qiáng)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(dǎo)致的失效問題,同時,QMU方法可作為傳統(tǒng)可靠性理論的補(bǔ)充,用于度量系統(tǒng)可接受風(fēng)險時的系統(tǒng)可靠性評估。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TG171

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2324722