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測方法，即一種基于環(huán)境損傷加速效應風險模型的結(jié)構(gòu)腐蝕過程建模和壽命預測方法。它針對復雜環(huán)境下產(chǎn)生腐蝕的設備結(jié)構(gòu)，將環(huán)境損傷加速效應引入結(jié)構(gòu)使用風險模型，實現(xiàn)了基于腐蝕-非腐蝕壽命試驗數(shù)據(jù)的腐蝕過程快速識別，建立了考慮環(huán)境損傷加速效應的結(jié)構(gòu)壽命預測方法，為提升海洋等復雜環(huán)境下結(jié)構(gòu)服役的安全性和經(jīng)濟性提供理論和技術支持。適用于腐蝕環(huán)境下存在損傷加速效應的結(jié)構(gòu)腐蝕過程識別和壽命預測。

背景技術：

1、海洋等復雜環(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、導管接頭銹蝕等常見設備結(jié)構(gòu)厚度減小、強度降低甚至發(fā)生折斷的主要因素之一。在服役過程中，高溫、高濕、高鹽霧、強紫外輻照、水分子擴散、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)象會對結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)和壽命帶來不同程度的影響。環(huán)境腐蝕不僅會影響結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定，還可能帶來巨大的安全風險和造成重大的經(jīng)濟損失。因此，研究結(jié)構(gòu)的環(huán)境腐蝕過程建模和識別方法，預測環(huán)境腐蝕影響下的結(jié)構(gòu)安全性，對助力國家對極端環(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)外相關研究中，還存在兩個方面的不足：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結(jié)構(gòu)使用風險的加速效應。另一方面，腐蝕試驗數(shù)據(jù)如裂紋擴大、涂層損耗、腐蝕面積增加等通常難以準確測量，導致腐蝕損傷加速效應檢驗和腐蝕過程識別具有較高難度。

3、為應對以上問題，本發(fā)明提供了一種考慮損傷加速的結(jié)構(gòu)腐蝕過程識別與預測方法，該方法將環(huán)境損傷加速效應引入結(jié)構(gòu)使用風險模型，實現(xiàn)基于腐蝕-非腐蝕壽命試驗數(shù)據(jù)的腐蝕過程快速識別，建立考慮環(huán)境損傷加速效應的結(jié)構(gòu)壽命預測方法。

技術實現(xiàn)思路

1、(1)本發(fā)明的目的：為應對腐蝕環(huán)境下存在損傷加速效應的結(jié)構(gòu)腐蝕過程識別和壽命預測問題，針對由復雜環(huán)境下產(chǎn)生腐蝕的設備結(jié)構(gòu)，將環(huán)境損傷加速效應引入結(jié)構(gòu)使用風險模型，實現(xiàn)基于腐蝕-非腐蝕壽命試驗數(shù)據(jù)的腐蝕過程快速識別，建立考慮環(huán)境損傷加速效應的結(jié)構(gòu)壽命預測方法，為提升復雜環(huán)境下結(jié)構(gòu)服役的安全性和經(jīng)濟性提供理論和技術支持。

2、(2)技術方案：

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測方法，該方法通過如下三個步驟實現(xiàn)：

4、步驟一：構(gòu)建考慮環(huán)境損傷效應的結(jié)構(gòu)使用風險模型

5、隨著服役年齡的累積以及服役環(huán)境對結(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)象會對結(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)生失效的時間，因此本發(fā)明將環(huán)境損傷加速效應引入結(jié)構(gòu)使用風險模型，提出了一種考慮環(huán)境損傷效應的結(jié)構(gòu)使用風險模型，來描述環(huán)境腐蝕下結(jié)構(gòu)的使用風險，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險，h0(t,ξ)為結(jié)構(gòu)在t年齡下不考慮環(huán)境損傷加速的基準風險，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)受長期腐蝕后，由于腐蝕產(chǎn)物會阻礙腐蝕進程，因此腐蝕損耗量會逐漸趨于極限值l∞；c1,c2,c3均為模型參數(shù)。

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

14、結(jié)構(gòu)在研制時會進行壽命試驗以考察其失效隨時間變化規(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，還會針對結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境條件而制定相應的腐蝕試驗來明確結(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)，提出了一種快速識別腐蝕過程的方法。

15、對等式(1)進行數(shù)學變換，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險和不考慮環(huán)境損傷加速的基準風險的對數(shù)差值與環(huán)境腐蝕損耗量存在正比關系，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)計的周期分別標記為t1,t2,…,tn和t01,t02,…,t0n，則考慮環(huán)境損傷加速的使用風險h(t|lt)由以下方式進行計算：

19、

20、其中，δr(ti)表示在ti周期后的δti時間內(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)境損傷加速的基準風險h0(t,ξ)由以下方式進行計算：

22、

23、其中，δr(t0i)表示在t0i周期后的δt0i時間內(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現(xiàn)結(jié)構(gòu)腐蝕所屬過程的快速識別：

25、1.基于失效數(shù)據(jù)，借助已有文獻研究中的數(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下的基準風險值

27、3.將h0(ti,ξ)與等式(3)得到的代入等式(2)，得到對數(shù)風險差值

28、4.將對數(shù)風險差值制成曲線圖后與已知的三種腐蝕過程進行趨勢擬合，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：預測考慮環(huán)境損傷加速效應的結(jié)構(gòu)壽命

30、考慮環(huán)境損傷加速效應的結(jié)構(gòu)風險函數(shù)和生存函數(shù)存在如下關系：

31、

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

33、

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

35、

36、由于等式(7)中包含了參數(shù)因此在預測考慮環(huán)境損傷加速效應的結(jié)構(gòu)期望壽命前，需要明確所有參數(shù)的估計值。其中，參數(shù)ξ的估計值已在步驟2中得到，僅需基于失效數(shù)據(jù)估計參數(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、對數(shù)風險差值數(shù)據(jù)基準風險模型即可得到對數(shù)似然函數(shù)的值，通過最大化即可得到參數(shù)的估計值：

39、

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

41、通過以上步驟，本發(fā)明實現(xiàn)了根據(jù)結(jié)構(gòu)在腐蝕環(huán)境-非腐蝕環(huán)境下進行壽命試驗獲得的失效數(shù)據(jù)，構(gòu)建了考慮環(huán)境損傷效應的結(jié)構(gòu)使用風險模型，快速識別了考慮環(huán)境損傷效應的結(jié)構(gòu)腐蝕過程，預測了考慮環(huán)境損傷加速效應的結(jié)構(gòu)壽命，解決了如何科學地對存在損傷加速效應的結(jié)構(gòu)進行腐蝕過程識別和壽命預測。

42、(3)優(yōu)點和功效：

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

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

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