应力作用下金属点蚀与结构可靠性分析方法研究

摘要

腐蚀作为金属材料常见的损伤方式之一，在石油管道、海洋结构、核反应堆、航空航天、武器装备等领域广泛存在。由于周围环境介质和所承受载荷的长期作用，金属材料与结构的服役性能会随着腐蚀的产生发展逐步退化，甚至造成突发性破坏导致重大经济损失和恶性事故，给关键零件与结构的安全服役带来风险。材料与结构的腐蚀是一个十分复杂的过程，科学认识含腐蚀损伤结构的服役状态，研究其相应的可靠性分析方法，对于我国机械行业重大装备的服役寿命评估、可持续安全发展等均具有重要意义。
　　当前随着机械零件与结构服役条件的日益复杂，无论是宏观大型构件的破坏还是微观元器件的失效，其失效机制均具有多尺度和多场耦合的特点，特别是化学-力学作用下的失效机制值得深入研究。本文以核工业和航空领域广泛应用的金属材料在腐蚀环境和力学载荷下的寿命预测与健康评估为研究背景，开展典型金属材料的点蚀试验、点蚀生长数值模拟方法、故障物理模型以及考虑混合不确定性的结构可靠性分析方法的研究；为相关装备的全寿命设计理论与安全可靠运行提供技术支撑。本文的主要研究工作及其创新点概括如下：
　　(1)对 HR-2不锈钢与316L不锈钢进行了含应力加载的点蚀实验，研究了应力加载对材料微观点蚀损伤以及宏观力学性能变化的影响。微观电镜扫描结果表明，不锈钢在腐蚀环境下仍有微观点蚀痕迹，在应力与环境耦合作用下的试样的腐蚀程度更为严重；宏观力学性能测试表明，试样材料极限强度有一定变化，可为实际核工程结构设计的选材和性能分析提供依据。
　　(2)针对应力与腐蚀环境耦合作用下的点蚀生长过程，基于 Comsol Multiphysics平台建立了应力场与腐蚀电位场以及点蚀坑几何形状生长的多物理场模拟模型，开发了相应的MATLAB与COMSOL计算耦合程序，能够实现单个点蚀坑在应力加载下的生长过程模拟。建模过程中采用时间离散计算策略建立了考虑应力加载效应的点蚀生长过程的有限元迭代算法，实现了力学加载与环境耦合作用下的点蚀生长多物理场建模与数值模拟。
　　(3)基于腐蚀疲劳模型和断裂力学理论，针对恒定应力加载下的结构点蚀生长失效问题，建立了考虑应力加载效应的点蚀损伤演化导致开裂失效的故障物理模型。该模型涵盖点蚀生长、点蚀转化为裂纹、裂纹扩展三阶段，能够更接近工程实际情况。针对制约复杂结构可靠性分析中的计算效率与精度问题，建立了基于自适应抽样Kriging代理模型的结构含点蚀损伤可靠性分析方法和计算框架。与蒙特卡洛方法、一阶可靠性方法的对比研究表明，自适应抽样Kriging代理模型计算方法具有较高的计算效率和精度。
　　(4)针对腐蚀等实际工程问题中随机和认知不确定性同时存在时的结构可靠性分析，在讨论裕量与不确定性量化（QMU）相关概念的基础上，重点研究了基于证据理论和Kriging代理模型的混合不确定性传播计算方法，提出了证据理论框架下度量结构性能裕量和不确定性的计算表达式。在此基础上，应用上述方法分别对结构点蚀转裂纹断裂失效以及强度损减失效开展了算例研究，结果表明，本文建立的QMU度量方法能够有效求解结构腐蚀损伤导致的失效问题，同时，QMU方法可作为传统可靠性理论的补充，用于度量系统可接受风险时的系统可靠性评估。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 研究现状

1.3论文的主要研究工作

1.4 本文的结构安排

第二章 力学加载下不锈钢点蚀腐蚀试验研究

2.1 试验材料

2.2应力环加载浸泡试验方法

2.3 静态加载腐蚀试验结果与分析

2.4 本章小结

第三章 力学加载下点蚀生长多物理模拟研究

3.1 引言

3.2 点蚀生长数值模拟计算方法

3.3基于COMSOL的点蚀生长多物理场建模研究

3.4算例分析与讨论

3.5本章小结

第四章 力学加载下结构点蚀可靠性模型与概率分析方法

4.1 引言

4.2 考虑应力加载的点蚀失效模型研究

4.3 基于Kriging代理模型的高效可靠性分析方法

4.4结构含点蚀损伤可靠性计算与分析

4.5 本章小结

第五章 QMU方法及其在结构腐蚀失效分析中的应用

5.1 引言

5.2 QMU基本概念

5.3基于证据理论的混合不确定性分析

5.4 基于QMU的结构腐蚀可靠性分析算例研究

5.5 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果