本發(fā)明提供一種考慮損傷加速的結(jié)構(gòu)環(huán)境腐蝕過程建模與預(yù)測(cè)方法，即一種基于環(huán)境損傷加速效應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)模型的結(jié)構(gòu)腐蝕過程建模和壽命預(yù)測(cè)方法。它針對(duì)復(fù)雜環(huán)境下產(chǎn)生腐蝕的設(shè)備結(jié)構(gòu)，將環(huán)境損傷加速效應(yīng)引入結(jié)構(gòu)使用風(fēng)險(xiǎn)模型，實(shí)現(xiàn)了基于腐蝕-非腐蝕壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)的腐蝕過程快速識(shí)別，建立了考慮環(huán)境損傷加速效應(yīng)的結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測(cè)方法，為提升海洋等復(fù)雜環(huán)境下結(jié)構(gòu)服役的安全性和經(jīng)濟(jì)性提供理論和技術(shù)支持。適用于腐蝕環(huán)境下存在損傷加速效應(yīng)的結(jié)構(gòu)腐蝕過程識(shí)別和壽命預(yù)測(cè)。

背景技術(shù)：

1、海洋等復(fù)雜環(huán)境下發(fā)生的船體結(jié)構(gòu)表面腐蝕、結(jié)構(gòu)連接部位腐蝕、導(dǎo)管接頭銹蝕等常見設(shè)備結(jié)構(gòu)厚度減小、強(qiáng)度降低甚至發(fā)生折斷的主要因素之一。在服役過程中，高溫、高濕、高鹽霧、強(qiáng)紫外輻照、水分子擴(kuò)散、硫氧化物污染和多種環(huán)境交替變化所引發(fā)的腐蝕現(xiàn)象會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)和壽命帶來不同程度的影響。環(huán)境腐蝕不僅會(huì)影響結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定，還可能帶來巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)和造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，研究結(jié)構(gòu)的環(huán)境腐蝕過程建模和識(shí)別方法，預(yù)測(cè)環(huán)境腐蝕影響下的結(jié)構(gòu)安全性，對(duì)助力國家對(duì)極端環(huán)境資源的開發(fā)利用具有重要的意義。

2、然而目前國內(nèi)外相關(guān)研究中，還存在兩個(gè)方面的不足：一方面，結(jié)構(gòu)安全性使用單一的結(jié)構(gòu)腐蝕深度進(jìn)行判斷，僅根據(jù)結(jié)構(gòu)腐蝕深度是否超過結(jié)構(gòu)的承受閾值來判斷結(jié)構(gòu)安全性，該方法忽略了腐蝕損傷對(duì)結(jié)構(gòu)使用風(fēng)險(xiǎn)的加速效應(yīng)。另一方面，腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)如裂紋擴(kuò)大、涂層損耗、腐蝕面積增加等通常難以準(zhǔn)確測(cè)量，導(dǎo)致腐蝕損傷加速效應(yīng)檢驗(yàn)和腐蝕過程識(shí)別具有較高難度。

3、為應(yīng)對(duì)以上問題，本發(fā)明提供了一種考慮損傷加速的結(jié)構(gòu)腐蝕過程識(shí)別與預(yù)測(cè)方法，該方法將環(huán)境損傷加速效應(yīng)引入結(jié)構(gòu)使用風(fēng)險(xiǎn)模型，實(shí)現(xiàn)基于腐蝕-非腐蝕壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)的腐蝕過程快速識(shí)別，建立考慮環(huán)境損傷加速效應(yīng)的結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測(cè)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、(1)本發(fā)明的目的：為應(yīng)對(duì)腐蝕環(huán)境下存在損傷加速效應(yīng)的結(jié)構(gòu)腐蝕過程識(shí)別和壽命預(yù)測(cè)問題，針對(duì)由復(fù)雜環(huán)境下產(chǎn)生腐蝕的設(shè)備結(jié)構(gòu)，將環(huán)境損傷加速效應(yīng)引入結(jié)構(gòu)使用風(fēng)險(xiǎn)模型，實(shí)現(xiàn)基于腐蝕-非腐蝕壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)的腐蝕過程快速識(shí)別，建立考慮環(huán)境損傷加速效應(yīng)的結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測(cè)方法，為提升復(fù)雜環(huán)境下結(jié)構(gòu)服役的安全性和經(jīng)濟(jì)性提供理論和技術(shù)支持。

2、(2)技術(shù)方案：

3、本發(fā)明提供了一種考慮損傷加速的結(jié)構(gòu)環(huán)境腐蝕過程建模與預(yù)測(cè)方法，該方法通過如下三個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)：

4、步驟一：構(gòu)建考慮環(huán)境損傷效應(yīng)的結(jié)構(gòu)使用風(fēng)險(xiǎn)模型

5、隨著服役年齡的累積以及服役環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)作用的不斷加深，環(huán)境溫度、濕度、鹽沉積量、熱輻射和多種環(huán)境交替變化所引發(fā)的腐蝕現(xiàn)象會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)和壽命帶來不同程度的影響，通常表現(xiàn)為環(huán)境腐蝕加速了結(jié)構(gòu)發(fā)生失效的時(shí)間，因此本發(fā)明將環(huán)境損傷加速效應(yīng)引入結(jié)構(gòu)使用風(fēng)險(xiǎn)模型，提出了一種考慮環(huán)境損傷效應(yīng)的結(jié)構(gòu)使用風(fēng)險(xiǎn)模型，來描述環(huán)境腐蝕下結(jié)構(gòu)的使用風(fēng)險(xiǎn)，如下所示：

6、

7、其中，t為結(jié)構(gòu)服役年齡，為結(jié)構(gòu)在t年齡下的環(huán)境腐蝕損耗量，h(t|lt)為結(jié)構(gòu)在t年齡下考慮環(huán)境損傷加速的使用風(fēng)險(xiǎn)，h0(t,ξ)為結(jié)構(gòu)在t年齡下不考慮環(huán)境損傷加速的基準(zhǔn)風(fēng)險(xiǎn)，均為模型參數(shù)。

8、建模過程包含環(huán)境腐蝕損耗量lt，根據(jù)已有文獻(xiàn)研究可知，環(huán)境腐蝕損耗量可使用以下三種過程描述：

9、(1)paik-thayamballi過程(冪律型)，

10、(2)guedes?soares-garbatov過程(指數(shù)型)，

11、(3)秦-崔過程(威布爾型)，

12、其中，l∞表示結(jié)構(gòu)在經(jīng)受長(zhǎng)期腐蝕后，由于腐蝕產(chǎn)物會(huì)阻礙腐蝕進(jìn)程，因此腐蝕損耗量會(huì)逐漸趨于極限值l∞；c1,c2,c3均為模型參數(shù)。

13、步驟二：快速識(shí)別考慮環(huán)境損傷效應(yīng)的結(jié)構(gòu)腐蝕過程

14、結(jié)構(gòu)在研制時(shí)會(huì)進(jìn)行壽命試驗(yàn)以考察其失效隨時(shí)間變化規(guī)律，獲得在非腐蝕環(huán)境下的失效數(shù)據(jù)。除此之外，為確保結(jié)構(gòu)在制造過程與使用、貯存過程中不因腐蝕而失效，還會(huì)針對(duì)結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境條件而制定相應(yīng)的腐蝕試驗(yàn)來明確結(jié)構(gòu)在環(huán)境腐蝕加速下的失效數(shù)據(jù)。因此，本發(fā)明利用腐蝕和非腐蝕環(huán)境下的失效數(shù)據(jù)，提出了一種快速識(shí)別腐蝕過程的方法。

15、對(duì)等式(1)進(jìn)行數(shù)學(xué)變換，得到：

16、

17、可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在統(tǒng)一服役年齡下考慮環(huán)境損傷加速的使用風(fēng)險(xiǎn)和不考慮環(huán)境損傷加速的基準(zhǔn)風(fēng)險(xiǎn)的對(duì)數(shù)差值與環(huán)境腐蝕損耗量存在正比關(guān)系，因此可以直接利用腐蝕和非腐蝕環(huán)境下的失效數(shù)據(jù)識(shí)別環(huán)境腐蝕過程。

18、由于結(jié)構(gòu)在腐蝕環(huán)境和非腐蝕環(huán)境下的失效數(shù)據(jù)已知，將統(tǒng)計(jì)的周期分別標(biāo)記為t1,t2,…,tn和t01,t02,…,t0n，則考慮環(huán)境損傷加速的使用風(fēng)險(xiǎn)h(t|lt)由以下方式進(jìn)行計(jì)算：

19、

20、其中，δr(ti)表示在ti周期后的δti時(shí)間內(nèi)，發(fā)生失效的結(jié)構(gòu)數(shù)量；δti＝ti+1-ti表示考慮環(huán)境損傷加速的失效時(shí)間間隔；ns(ti)表示在ti周期剩余未失效的結(jié)構(gòu)數(shù)量。

21、不考慮環(huán)境損傷加速的基準(zhǔn)風(fēng)險(xiǎn)h0(t,ξ)由以下方式進(jìn)行計(jì)算：

22、

23、其中，δr(t0i)表示在t0i周期后的δt0i時(shí)間內(nèi)，發(fā)生失效的結(jié)構(gòu)數(shù)量；δti＝t0i+1-t0i表示不考慮環(huán)境損傷加速的失效時(shí)間間隔；ns(t0i)表示在t0i周期剩余未失效的結(jié)構(gòu)數(shù)量。

24、然后按照以下流程即可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)腐蝕所屬過程的快速識(shí)別：

25、1.基于失效數(shù)據(jù)，借助已有文獻(xiàn)研究中的數(shù)據(jù)分布擬合方法，得到結(jié)構(gòu)在非腐蝕環(huán)境下的生存函數(shù)類型s0(t,ξ)及參數(shù)ξ的估計(jì)值；

26、2.將周期數(shù)據(jù)t1,t2,…,tn代入非腐蝕環(huán)境下的生存函數(shù)s0(t,ξ)，得到結(jié)構(gòu)在給定服役年齡t1,t2,…,tn下的基準(zhǔn)風(fēng)險(xiǎn)值

27、3.將h0(ti,ξ)與等式(3)得到的代入等式(2)，得到對(duì)數(shù)風(fēng)險(xiǎn)差值

28、4.將對(duì)數(shù)風(fēng)險(xiǎn)差值制成曲線圖后與已知的三種腐蝕過程進(jìn)行趨勢(shì)擬合，若曲線圖為冪律型則選擇paik-thayamballi過程；若曲線圖為指數(shù)型則選擇guedessoares-garbatov過程；若曲線圖為威布爾型則選擇秦-崔過程。

29、步驟三：預(yù)測(cè)考慮環(huán)境損傷加速效應(yīng)的結(jié)構(gòu)壽命

30、考慮環(huán)境損傷加速效應(yīng)的結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)和生存函數(shù)存在如下關(guān)系：

31、

32、對(duì)等式(5)兩側(cè)進(jìn)行積分即可獲得考慮環(huán)境損傷加速效應(yīng)的結(jié)構(gòu)生存函數(shù)為：

33、

34、再對(duì)等式(6)進(jìn)行無窮積分即可獲得考慮環(huán)境損傷加速效應(yīng)的結(jié)構(gòu)期望壽命：

35、

36、由于等式(7)中包含了參數(shù)因此在預(yù)測(cè)考慮環(huán)境損傷加速效應(yīng)的結(jié)構(gòu)期望壽命前，需要明確所有參數(shù)的估計(jì)值。其中，參數(shù)ξ的估計(jì)值已在步驟2中得到，僅需基于失效數(shù)據(jù)估計(jì)參數(shù)的值，因此構(gòu)建似然函數(shù)：

37、

38、代入步驟二獲得的周期數(shù)據(jù)t1,t2,…,tn、對(duì)數(shù)風(fēng)險(xiǎn)差值數(shù)據(jù)基準(zhǔn)風(fēng)險(xiǎn)模型即可得到對(duì)數(shù)似然函數(shù)的值，通過最大化即可得到參數(shù)的估計(jì)值：

39、

40、將等式(9)得到的參數(shù)估計(jì)值和步驟2得到的參數(shù)ξ估計(jì)值代入等式(7)，即可得到考慮環(huán)境損傷加速效應(yīng)的結(jié)構(gòu)期望壽命，從而完成了考慮環(huán)境損傷加速效應(yīng)的結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測(cè)。

41、通過以上步驟，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了根據(jù)結(jié)構(gòu)在腐蝕環(huán)境-非腐蝕環(huán)境下進(jìn)行壽命試驗(yàn)獲得的失效數(shù)據(jù)，構(gòu)建了考慮環(huán)境損傷效應(yīng)的結(jié)構(gòu)使用風(fēng)險(xiǎn)模型，快速識(shí)別了考慮環(huán)境損傷效應(yīng)的結(jié)構(gòu)腐蝕過程，預(yù)測(cè)了考慮環(huán)境損傷加速效應(yīng)的結(jié)構(gòu)壽命，解決了如何科學(xué)地對(duì)存在損傷加速效應(yīng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行腐蝕過程識(shí)別和壽命預(yù)測(cè)。

42、(3)優(yōu)點(diǎn)和功效：

43、1、本發(fā)明能夠快速識(shí)別腐蝕過程的類型，從而有效提升復(fù)雜環(huán)境下結(jié)構(gòu)腐蝕過程的識(shí)別速度和準(zhǔn)確性；

44、2、本發(fā)明能夠準(zhǔn)確估計(jì)模型參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)壽命的有效預(yù)測(cè)，為腐蝕環(huán)境下結(jié)構(gòu)的安全使用提供了可靠的技術(shù)支持；

45、3、本發(fā)明所述方法科學(xué)，所需數(shù)據(jù)易于獲取，應(yīng)用對(duì)象包括但不限于腐蝕環(huán)境下的各類機(jī)械結(jié)構(gòu)，具有廣闊推廣應(yīng)用價(jià)值。