(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111638393.5 (22)申请日 2021.12.2 9 (71)申请人 东南大学 地址 210096 江苏省南京市玄武区四牌楼 2 号 (72)发明人 缪志伟　刘一凡　耿祥东　蒋超　 袁浩　赵鑫喆　 (74)专利代理 机构 南京经纬专利商标代理有限 公司 32200 代理人 马严龙 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 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 (57)摘要 本发明提供了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， 其包括如下步 骤： 利用已有锈蚀钢筋样本， 沿其长度方向提取 钢筋的横截面面积， 进行统计分析， 得到其概率 分布模型； 按照该概率分布模型重新生成锈蚀钢 筋截面积数据， 通过有限元软件将新生成的截面 数据赋值到圆台单元， 在有限元软件中完成新模 型的拼装； 按照蒙特卡洛法， 通过python改写有 限元软件的命令流文件， 生 成大量锈蚀钢筋样本 进行单轴拉伸数值试验， 最终得到锈蚀钢筋的残 余力学性能。 采用本发明的技术方案， 有效解决 了钢筋锈蚀试验耗时长、 试验结果离散性大而试 验样本不足的问题， 通过有限元模拟的方法， 有 效节约了时间， 与实际试验结果相比， 模拟的结 果准确而有效。 权利要求书2页 说明书6页 附图4页 CN 114386301 A 2022.04.22 CN 114386301 A 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RA， 其中Aave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RA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RA， 因此所有数据仍需乘以锈蚀钢 筋的平均截面积Aave， 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。权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114386301 A 25.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。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114386301 A 3