[发明专利]一种基于表面随机粗糙度的锈蚀后钢材模拟方法

说明书

本发明公开了一种基于表面随机粗糙度的锈蚀后钢材模拟的数值方法，具体为将锈蚀后的钢材表面看成是二维/三维的随机粗糙面，根据实测或经验公式得出钢材的锈蚀率，通过形貌扫描或公式计算的方式得到与锈蚀率对应的锈蚀后钢材表面的算数平均高度、均方根高度与最大高度，采用蒙特卡洛方法来模拟生成一维/二维随机粗糙面，最后根据锈蚀率计算锈蚀表面的最低点至其他表面的距离，将所得的粗糙面与其他平面进行组合，生成不同锈蚀程度下的钢材锈蚀模型。

技术领域

本发明涉及一种基于表面随机粗糙度的锈蚀后钢材模拟方法，更具体地说，本发明涉及一种生成与锈蚀率对应的锈蚀表面，可用于分析锈蚀后金属受局部损伤引起的应力集中和研究表面形貌对锈蚀后金属力学性能与疲劳性能影响。

背景技术

钢材由于表面凹凸不平的表面形貌而产生应力集中，是锈蚀钢结构塑性、断裂韧性以及疲劳性能降低的主要原因。目前关于钢材的点蚀和不均匀锈蚀的研究方法中，主要分为两类：基于实测的逆向建模方法和挖孔式的建模方法。基于实测的逆向建模方法仅适用于模拟被扫描物体或区域，应用范围有限；挖孔式的建模方法多将锈蚀孔简化为规则的圆形或椭圆形，忽略了锈蚀表面整体的锈蚀特征。因此，有必要提出一种基于表面形貌的锈蚀后钢材建模方法，更快速和准确地对锈蚀后钢材进行模拟与分析，提高研究的效率与精度。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于表面随机粗糙度的锈蚀后钢材模拟方法，该方法能够根据不同的锈蚀程度生成相对应的锈蚀表面，可考虑锈蚀形貌对钢材力学性能的影响。

本发明提提供一种基于表面随机粗糙度的锈蚀后钢材模拟方法，包括：

(a)将锈蚀后的钢材表面看成是一维/二维的随机粗糙面，根据实测或经验公式得出钢材的锈蚀率w；

(b)通过形貌扫描实测或公式计算的方式得到与锈蚀率对应的锈蚀后钢材表面的均方根高度；对于一维粗糙面，记算数平均高度为R_a，均方根高度为R_q，最大深度为R_z，对于二维粗糙面，记算数平均高度为S_a，均方根高度为S_q，最大深度为S_z；

(c)根据粗糙度参数，采用蒙特卡洛方法来模拟生成一维/二维随机粗糙面，即频域用功率谱对其进行滤波，再做逆快速傅里叶变换得到高度起伏的粗糙面；

(d)基于锈蚀率w计算锈蚀表面最低点至其他面的距离；

(e)将生成的粗糙面与其他平面进行组合，生成不同锈蚀程度下的二维/三维钢材锈蚀模型。

进一步，在步骤(b)中，对于常见的结构钢Q355B钢材在遭受大气腐蚀后，其锈蚀后表面的均方根高度与最大深度可按照以下公式进行计算。

对于锈蚀后二维模型：

R_a＝0.0077·w+0.0031 (1)

R_q＝0.0096·w+0.0015 (2)

R_z＝0.0592·w-0.0544 (3)

对于锈蚀后三维模型：

S_a＝26.19·w^0.555 (4)

S_q＝32.37·w^0.552 (5)

S_z＝179.22·w^0.567 (6)

进一步，在步骤(c)中，在生成一维粗糙面的过程中，由下列函数生成长度为L，数据点为N的二维粗糙表面样本，即：