干湿交替环境下海洋钢腐蚀疲劳裂纹扩展模型研究

摘要

海洋平台大多采用钢结构，其耐久性能影响着整个结构的寿命。海洋钢不仅受到海水的化学腐蚀作用，还受到海洋洋流的交变荷载作用。研究表明，海洋潮差区和浪花飞溅区是腐蚀最严重的部位。现有的研究大多考虑金属在静海水下的腐蚀疲劳特性或者流动海水腐蚀性能，而忽视了海水干湿交替环境变化的影响。实际上，海洋平台不同的高度，干湿环境不尽相同。因此，研究干湿交替下海洋钢腐蚀疲劳裂纹扩展是很有必要的。
　　本文对干湿交替环境下腐蚀疲劳裂纹扩展速率进行了三方面的研究:1）相同荷载频率作用下，不同干湿交替时间比（干湿比）对裂纹扩展速率的影响;2）相同干湿比，不同加载频率对裂纹扩展速率的影响;3）多种环境因素综合影响下疲劳裂纹扩展模型。为此，本文采用D36海洋平台用钢做成的三点弯曲试样进行腐蚀疲劳试验。试验工况涉及不同的干湿交替环境，频率，应力比，阴极保护电位。本文还采用基于遗传算法优化的BP神经网络算法来拟合Paris公式中系数，进而得到了裂纹扩展速率模型。研究表明，干湿交替只有在低频荷载作用下有显著影响，对于高频情况影响不大;对于同一千湿交替时间比，随着频率的降低，呈现出先基本不变，后逐渐增大的趋势。对低频率低应力强度因子幅度的情况，随着干湿交替的时间比的减小，裂纹扩展速率存在先增大后减小现象，存在使裂纹扩展速率达到最大的临界干湿比。
　　考虑复杂环境因素（加载频率、应力比、干湿交替时间比、外加电位等），采用基于遗传算法的BP神经网络优化算法建立了腐蚀疲劳裂纹扩展速率的Paris方程。与传统模型对比，该模型具有精度高，适用性好，可扩展等优点。基于GA-BP模型，本文提出了特定条件下，低应力强度因子幅度的裂纹扩展速率与干湿比符合三次多项式的关系。三次多项式的极值点，对应着该种环境下的“临界干湿比”。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 腐蚀疲劳概述

1．2．1 腐蚀疲劳的研究历史

1．2．2 腐蚀疲劳的作用机理

1．2．3 腐蚀疲劳的影响因素

1．3 腐蚀疲劳裂纹扩展

1．3．1 腐蚀疲劳裂纹扩展类型

1．3．2 腐蚀疲劳裂纹扩展模型

1．4 本文研究内容

2 D36钢疲劳裂纹扩展速率试验

2．1 试验目的及技术要求

2．1．1 试验目的

2．1．2 试验技术及要求

2．2 腐蚀疲劳试验设计

2．2．1 试样的制备

2．2．2 辅助装置的设计

2．3 腐蚀疲劳裂纹扩展速率试验方案

2．3．1 钢材断裂韧度KIC的测定

2．3．2 疲劳荷载大小的确定

2．3．3 预制疲劳裂纹要求

2．3．4 腐蚀疲劳裂纹扩展试验

2．4 试验结果处理方法

2．4．1 裂纹曲率修正

2．4．2 腐蚀疲劳裂纹扩展速率

2．4．3 柔度法测量裂纹长度

2．4．4 程序设计及数据处理

2．5 本章小结

3 干湿交替对海洋钢腐蚀疲劳裂纹扩展速率的影响

3．1 前言

3．2 干湿交替试验方法

3．3 结果分析与讨论

3．3．1 相同频率不同干湿比对裂纹扩展速率的影响

3．3．2 相同干湿比不同频率对裂纹扩展速率的影响

3．4 本章小结

4 多环境因素腐蚀疲劳裂纹扩展速率模型

4．1 前言

4．1．1 模型研究现状

4．1．2 电位和应力比的影响

4．2 算法理论基础

4．2．1 BP神经网络概述

4．2．2 遗传算法的概述

4．3 基于遗传算法的BP神经网络优化算法实现

4．3．1 算法流程

4．3．2 神经网络算法的实现

4．3．3 遗传算法实现

4．3．4 结果分析

4．3．5 临界干湿比的确定

4．4 本章小结

结论与展望

参考文献

附录部分程序代码

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢