[发明专利]一种锈蚀钢筋残余力学性能的有限元模拟与参数分析方法

权利要求书

1.一种锈蚀钢筋残余力学性能的有限元模拟与参数分析方法，其特征在于，其包括如下步骤：

步骤S1，通过已有的锈蚀钢筋试件，获得不同锈蚀率下钢筋残余横截面面积数据，对得到的数据进行概率分布拟合，得到不同锈蚀率钢筋残余截面积概率分布模型；

步骤S2，通过数学软件重新随机生成符合S1步中概率分布模型的钢筋截面数据，将这些数据赋值到有限元圆台模型上，组合出新的等效锈蚀钢筋模型；

步骤S3，按照蒙特卡洛法，通过python编辑有限元软件的命令流文件，生成大量锈蚀钢筋模型，在有限元软件中进行批量拉伸数值试验，提取计算结果，得到最终的相应锈蚀率下钢筋残余力学性能。

2.根据权利要求1所述的一种锈蚀钢筋残余力学性能的有限元模拟与参数分析方法，其特征在于，步骤S1包括：采用3D扫描仪对锈蚀钢筋试件进行3D扫描，得到试件的3D点云文件，进一步转化得到三维实体模型，通过三维分析软件，以小于等于2mm的间隔，沿钢筋长度方向，对钢筋模型进行切分，获得锈蚀钢筋的横截面残余面积数据，通过数学软件，对得到的数据进行概率分布拟合，得到不同锈蚀率钢筋残余截面积概率分布模型。

3.根据权利要求2所述的一种锈蚀钢筋残余力学性能的有限元模拟与参数分析方法，其特征在于，拟合出不同锈蚀率下钢筋残余截面积概率分布模型，包括如下步骤：

对S1步得到的各截面处截面积进行归一化处理，定义锈蚀钢筋点蚀截面系数R_A，其中A_ave为整根锈蚀钢筋的平均面积，A′(x)为钢筋沿轴向方向任意处的残余截面积；

利用数学分析工具，对归一化后的截面积数据进行分析拟合，得到锈蚀钢筋点蚀截面系数R_A符合的最优分布模型，由于每根钢筋具有不同的锈蚀率，重复S1步操作，对所有的钢筋模型进行分布拟合，得到相应锈蚀率下，该分布模型的不同参数值，绘制不同锈蚀率下对应该分布模型的参数散点图，并进行回归分析，得到分布模型参数与锈蚀率相关的回归方程。

4.根据权利要求1所述的一种锈蚀钢筋残余力学性能的有限元模拟与参数分析方法，其特征在于，组合出新的等效锈蚀钢筋模型，包括如下步骤：

新的等效锈蚀钢筋模型由一系列圆台单元拼接构成的几何体，可以在通用有限元软件中建立，模型长度参照拉伸试验中引伸计标距长度确定，按照S1步拟合得到的概率分布模型，通过数学软件重新生成满足该分布模型的一组数据，数据个数由实体钢筋模型切分精度和模型长度共同确定，若模型长度为L mm，切分精度为S mm，则新生成的数据个数应为(L/S+1)个。

按照锈蚀钢筋的锈蚀形貌，假设每根锈蚀钢筋的中间位置存在一个10mm宽的核心锈坑，对生成的随机截面数据中最小的(10/S+1)个数据进行重新排列，以模拟锈蚀钢筋中的锈坑，其中最小的截面数据置于数列中间，其余10个数据按照从小到大的顺序依次排布在最小截面的两侧；锈坑以外的区域，仍按照随机分布的方式布置在锈坑的两侧，在组合好数列顺序后，由于生成的截面数据为钢筋的点蚀截面系数R_A，因此所有数据仍需乘以锈蚀钢筋的平均截面积A_ave，作为新模型的截面积；锈蚀段以外的区域，采用平均锈蚀率计算得到的均匀锈蚀模型来模拟钢筋的夹持段。

5.根据权利要求1所述的一种锈蚀钢筋残余力学性能的有限元模拟与参数分析方法，其特征在于，按照蒙特卡洛法，在有限元软件中对新生成的锈蚀钢筋模型进行批量拉伸数值试验，包括如下步骤：

使用通用有限元软件建立上述模型，以未锈蚀钢筋的力-位移曲线作为模型的输入本构，划分网格，对模型的夹持端施加轴向荷载，进行静力分析，提取每个增量步对应的荷载，位移结果，完成单根钢筋的数值拉伸试验，并导出对应的命令流文件；

按照蒙特卡洛法，通过python批量修改命令流文件，首先复制上述建模操作不低于50次，然后修改每一次的建模操作，将随机生成的锈蚀钢筋截面数据，按照S2步组合规则，两两赋值并替换到每一根钢筋样本中的圆台单元，这样即生成大量锈蚀钢筋样本，重新导入至有限元软件进行批量数值拉伸试验，最终得到每根钢筋的F-D曲线，取其平均值为最终的该锈蚀率下钢筋残余力学性能。

6.根据权利要求1所述的一种锈蚀钢筋残余力学性能的有限元模拟与参数分析方法，其特征在于，通过修改概率分布模型、未锈蚀钢筋本构关系、锈蚀率、钢筋直径、钢筋长度的参数，按照上述步骤，可以得到相应参数下的钢筋残余力学性能，研究不同参数对钢筋力学性能的影响。