風(fēng)沙試驗(yàn)相似準(zhǔn)則及其應(yīng)用研究

郝贠洪 ， 馮 韜 ，劉艷晨，高 峰，胡 臻

(1. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) a. 土木工程學(xué)院，b. 內(nèi)蒙古自治區(qū)土木工程結(jié)構(gòu)與力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2. 內(nèi)蒙古自治區(qū)建筑檢測(cè)鑒定與安全評(píng)估工程技術(shù)研究中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

[收稿日期] 2022-01-20

[基金項(xiàng)目] 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11162011，51468049，11662012，11862022)；內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(2018MS05047)；開(kāi)放基金項(xiàng)目(FKLTFM1907)；內(nèi)蒙古高校青年科技英才支持計(jì)劃(NJYT - 17 - A09)資助

[通信作者] 馮 韜(1989-)，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閰^(qū)域特殊環(huán)境下工程材料及結(jié)構(gòu)損傷及防護(hù)關(guān)鍵技術(shù)研究，電話：13074741251，E - mail: 158881564@qq.com

0 前 言

內(nèi)蒙古中西部地區(qū)屬于沙塵天氣頻發(fā)地區(qū)，隨著該地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施工程的增多，風(fēng)沙環(huán)境下工程材料的損傷問(wèn)題愈來(lái)愈受到人們的關(guān)注。對(duì)于區(qū)域環(huán)境下工程材料損傷問(wèn)題的研究，目前主要以試驗(yàn)研究為主，研究者們運(yùn)用實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)對(duì)工程材料在大溫差環(huán)境[1]、腐蝕環(huán)境[2-4]及濕熱環(huán)境[5]中的耐久性進(jìn)行研究，但是實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)結(jié)果還不能準(zhǔn)確反應(yīng)出實(shí)際環(huán)境中工程材料的損傷程度，難以對(duì)工程材料的使用壽命做出準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。研究者利用材料相同的參照構(gòu)件在近似環(huán)境內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)加速模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行修正，取得了很好的成果，為特殊區(qū)域環(huán)境內(nèi)服役工程材料的壽命預(yù)測(cè)提供了思路[6，7]。為得到實(shí)驗(yàn)室模擬風(fēng)沙試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際工況下工程材料受到風(fēng)沙沖蝕損傷程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，有研究者提出風(fēng)沙環(huán)境變量相似理論，盡管該理論可以實(shí)現(xiàn)材料的試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際工況服役損傷的相互轉(zhuǎn)化，但其存在試驗(yàn)參數(shù)取值不明確及調(diào)整參數(shù)較少的缺點(diǎn)[8]。

本工作根據(jù)材料沖蝕損傷機(jī)理及相似理論，提出了風(fēng)沙試驗(yàn)相似準(zhǔn)則?；谠摐?zhǔn)則，建立了實(shí)際工況下材料沖蝕損傷和實(shí)驗(yàn)室模擬工況下材料沖蝕損傷的對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用實(shí)驗(yàn)室模擬風(fēng)沙試驗(yàn)結(jié)果，可以有效地評(píng)估工程材料在風(fēng)沙環(huán)境下的沖蝕損傷。

1 風(fēng)沙試驗(yàn)參數(shù)的相似性分析

建立風(fēng)沙環(huán)境下工程材料損傷試驗(yàn)的相似準(zhǔn)則，即通過(guò)定義及分析實(shí)驗(yàn)室工況與實(shí)際工況中風(fēng)沙試驗(yàn)參數(shù)之間的相似關(guān)系，提出風(fēng)沙試驗(yàn)的相似要求。將滿足該相似要求的試驗(yàn)參數(shù)用于實(shí)驗(yàn)室模擬風(fēng)沙試驗(yàn)中，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)實(shí)際風(fēng)沙沖蝕環(huán)境中工程材料的損傷程度。風(fēng)沙試驗(yàn)的相似要求是保證在2種工況下風(fēng)沙試驗(yàn)相似性的充分非必要條件，風(fēng)沙試驗(yàn)相似準(zhǔn)則是所有風(fēng)沙試驗(yàn)相似要求的集合。

針對(duì)實(shí)驗(yàn)室模擬工程材料在風(fēng)沙環(huán)境下的損傷試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)主要包括試驗(yàn)溫度、材料半徑、沖蝕角度、沖蝕速度、沙粒子形狀和粒徑、沙粒子和靶材的材料性能、沖蝕時(shí)間及沙塵濃度，本工作通過(guò)對(duì)這些試驗(yàn)參數(shù)的分析，得到適用于模擬風(fēng)沙環(huán)境試驗(yàn)的相似準(zhǔn)則。

1.1 雷諾準(zhǔn)則

實(shí)驗(yàn)室模擬工程材料在風(fēng)沙環(huán)境下受到?jīng)_蝕損傷的試驗(yàn)中，沖蝕粒子受到重力的影響是很小的，分析時(shí)忽略重力對(duì)粒子運(yùn)動(dòng)的影響。沖蝕粒子完全沉浸在流體中，考慮到流體黏滯力對(duì)粒子運(yùn)動(dòng)的影響，這時(shí)應(yīng)滿足雷諾準(zhǔn)則：

(1)

式中：vg為氣流速度(m/s)；d為沖蝕粒子半徑(m)；υ為流體運(yùn)動(dòng)黏度(m2/s)。在沙粒子向靶材的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，對(duì)于受沖蝕材料損傷產(chǎn)生影響的因素是粒子的速度及角度，且在低速?zèng)_蝕過(guò)程中，沙粒子較為容易達(dá)到試驗(yàn)設(shè)計(jì)的沖蝕速度，故忽略由于雷諾數(shù)不匹配而導(dǎo)致的流場(chǎng)差異對(duì)風(fēng)沙沖蝕損傷程度的影響。

1.2 試驗(yàn)溫度

試驗(yàn)溫度對(duì)于沖蝕率的影響很難用簡(jiǎn)單的規(guī)律來(lái)描述，當(dāng)溫度差異保持在較小的范圍內(nèi)時(shí)，溫度變化對(duì)于沖蝕率的影響很小。試驗(yàn)溫度是一個(gè)靜止的概念，并不考慮溫度的循環(huán)變化對(duì)于受沖蝕材料性能的影響。內(nèi)蒙古中西部地區(qū)的沙塵天氣多發(fā)生在3～5月份[9]，實(shí)際溫度和實(shí)驗(yàn)室溫度的差別很小，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室模擬風(fēng)沙實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以忽略實(shí)驗(yàn)室和自然環(huán)境的溫差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

1.3 幾何尺寸

一般情況下，實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)中受沖蝕材料被沖蝕的區(qū)域?yàn)閳A形，且圓形的面積較為容易描述，因此用實(shí)際工況受沖蝕材料半徑Rp和實(shí)驗(yàn)室模擬工況中受沖蝕材料半徑Rm來(lái)描述2種工況下受沖蝕材料的面積。試驗(yàn)分析中，應(yīng)以單位面積受沖蝕材料的沖蝕質(zhì)量損失量評(píng)價(jià)工程材料受風(fēng)沙沖蝕的損傷程度，為方便對(duì)應(yīng)2種工況下沖蝕質(zhì)量損失量的關(guān)系，規(guī)定在實(shí)驗(yàn)室模擬工況下和實(shí)際工況下受沖蝕材料的面積是相同的，即相似要求應(yīng)為：

Rm=Rp

(2)

1.4 沖蝕角度

大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，粒子的沖蝕角度對(duì)材料的沖蝕率影響十分明顯，且對(duì)不同材料沖蝕率的影響趨勢(shì)也不盡相同，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，對(duì)于脆性越明顯的材料，沖蝕角度越高，材料的沖蝕率越大，當(dāng)沖蝕角度為90°時(shí)，脆性材料的沖蝕率達(dá)到最大，一般沖蝕角度在20°～30°時(shí)，典型的塑性材料沖蝕率達(dá)到最大[10]。

經(jīng)研究得出，材料的沖蝕率和沖蝕角度的關(guān)系可以表達(dá)為[11]：

ε=Acos2αsinnα+Bsin2α

(3)

式中：ε為沖蝕率，是沖蝕質(zhì)量損傷量和有效撞擊受沖蝕材料粒子質(zhì)量的比值；n、A、B為常數(shù)，取值和受沖蝕材料及沖蝕粒子的材料性能有關(guān)，對(duì)于某一實(shí)際工況，n、A、B的準(zhǔn)確取值是不易得到的。

實(shí)驗(yàn)室模擬風(fēng)沙試驗(yàn)中，沖蝕角度是一個(gè)重要的試驗(yàn)參數(shù)，沖蝕角度的變化對(duì)沖蝕率的影響十分明顯，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室模擬風(fēng)沙試驗(yàn)時(shí)，為保證工程材料在模擬風(fēng)沙環(huán)境和實(shí)際風(fēng)沙環(huán)境中受到?jīng)_蝕損傷的相似性，在實(shí)驗(yàn)室模擬工況下和實(shí)際工況下風(fēng)沙流對(duì)受沖蝕材料的沖蝕角度應(yīng)保持一致，即相似要求為：

αm=αp

(4)

式中：αm為實(shí)驗(yàn)室模擬工況中的沖蝕角度；αp為實(shí)際工況中的沖蝕角度。

1.5 材料性能

沖蝕粒子及受沖蝕材料的性能包括密度、彈性模量、強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等，這些參數(shù)對(duì)沖蝕損傷結(jié)果有著不同程度的影響，但目前還沒(méi)有準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型可描述其對(duì)沖蝕率的影響規(guī)律。

在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室模擬風(fēng)沙試驗(yàn)時(shí)，為消除材料性能的不同對(duì)2種工況下沖蝕損傷結(jié)果的影響，實(shí)際工況下和實(shí)驗(yàn)室模擬工況下沙粒及受沖蝕材料的材料性能對(duì)沖蝕率的影響應(yīng)是相同的，即相似要求為：

φm=φp

(5)

式中：φm、φp分別為實(shí)驗(yàn)室模擬工況下和實(shí)際工況下沙粒子及受沖蝕材料的材料性能對(duì)沖蝕率的影響系數(shù)。為滿足此相似要求，一般實(shí)驗(yàn)室模擬工況下和實(shí)際工況下沖蝕粒子及受沖蝕材料應(yīng)選用相同的材料。

1.6 沖蝕粒子的形狀

不同形狀的粒子對(duì)受沖蝕材料造成沖蝕損傷的形式不同，一般來(lái)說(shuō)球形粒子斜射對(duì)受沖蝕材料的損傷形式為犁削，多角粒子根據(jù)接觸尖角和受沖蝕材料法線的相對(duì)位置不同可以分為切削Ⅰ型和切削Ⅱ型。當(dāng)沖蝕粒子的傾角在-17°～-90°時(shí)會(huì)產(chǎn)生切削Ⅰ型損傷，切削Ⅰ型形成的凹坑有三角形特征，所有受到?jīng)_擊的受沖蝕材料被推向前方，形成極易在后續(xù)沖擊中脫落的唇片隆起；當(dāng)沖蝕粒子的傾角在0°～-17°時(shí)會(huì)產(chǎn)生切削Ⅱ型損傷，因粒子在沖擊靶面時(shí)會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，所以切削Ⅱ型產(chǎn)生的沖蝕坑較為平緩。與切削Ⅱ型相比，切削Ⅰ型對(duì)受沖蝕材料的沖蝕磨損更為嚴(yán)重[12]。目前，沖蝕粒子形狀和沖蝕率的關(guān)系還不能用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型表示。為消除粒子形狀對(duì)2種工況下沖蝕損傷結(jié)果的影響，實(shí)驗(yàn)室模擬工況下沙粒的形狀和實(shí)際工況下應(yīng)保持一致，即相似要求為：

φm=φp

(6)

式中：φm、φp分別為實(shí)驗(yàn)室模擬工況下和實(shí)際工況下沖蝕粒子形狀對(duì)沖蝕率的影響系數(shù)。

1.7 沖蝕粒子的粒徑

對(duì)于脆性受沖蝕材料而言，“粒徑效應(yīng)”與沖蝕率的關(guān)系尚沒(méi)有被普遍認(rèn)可的結(jié)論。對(duì)于塑性受沖蝕材料，粒子的粒徑在超過(guò)某一臨界值時(shí)，其變化對(duì)受沖蝕材料沖蝕率幾乎沒(méi)有影響，當(dāng)沖蝕粒子的粒徑小于臨界值時(shí)，材料的沖蝕率隨著粒徑的增大而增加[13]，沖蝕率和粒徑的關(guān)系可表達(dá)為：

(7)

從理論上來(lái)說(shuō)，通過(guò)改變沖蝕粒子的粒徑以達(dá)到加速試驗(yàn)的目的是可行的，但實(shí)際操作比較困難。首先，對(duì)沖蝕率產(chǎn)生影響的沖蝕粒子粒徑范圍較小，不便于試驗(yàn)操作。其次，在不改變沖蝕粒子材料性能及形狀的前提下，僅改變粒子粒徑十分困難。

在具體試驗(yàn)時(shí)，一般在實(shí)驗(yàn)室模擬風(fēng)沙試驗(yàn)中使用實(shí)際工況中的沙粒作為沖蝕粒子，從而得到相似要求為：

dm=dp

(8)

式中：dm和dp分別為實(shí)驗(yàn)室模擬工況下和實(shí)際工況下沖蝕粒子的粒徑(mm)。

1.8 沖蝕粒子速度

根據(jù)脆性材料受到固體粒子沖蝕的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，Evans和Wiederhorn分別提出各自的理論模型[10]，在這2個(gè)模型中，粒子速度的指數(shù)a的值分別為3.2及2.4。Finnie的試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為，各種材料受到粒子不同角度的沖擊，粒子速度的指數(shù)a約為2.05～2.44之間[14]。研究者們[11]通過(guò)大量試驗(yàn)與計(jì)算模擬得到，風(fēng)沙粒子對(duì)鋼結(jié)構(gòu)涂層沖蝕損傷過(guò)程中，鋼結(jié)構(gòu)涂層的a值范圍在2.39～2.43之間。脆性材料受到粒子沖蝕時(shí)，a值在2.00～4.00之間。

沖蝕率與沖蝕速度的關(guān)系為：

ε∝va

(9)

式中：v為粒子沖蝕速度(m/s)；a為常數(shù)，由沖蝕粒子和受沖蝕材料的材料決定。

當(dāng)研究者通過(guò)初步模擬試驗(yàn)得到某種工程材料受風(fēng)沙沖蝕的a值時(shí)，且不考慮雷諾準(zhǔn)則的影響，可以通過(guò)調(diào)整沖蝕速度v，實(shí)現(xiàn)加速試驗(yàn)及優(yōu)化試驗(yàn)參數(shù)的目的。

2 基于沖蝕損傷評(píng)價(jià)公式的相似性分析

研究者們根據(jù)不同的試驗(yàn)工況和不同的試驗(yàn)現(xiàn)象，提出各自的沖蝕理論，使得沖蝕理論不斷完善，但是大部分沖蝕理論只是對(duì)一些試驗(yàn)現(xiàn)象做出解釋，較為常用的數(shù)學(xué)模型有微切削理論模型[15]和變形磨損理論模型[16，17]，由于微切削理論的適用范圍存在局限，本工作根據(jù)變形磨損理論對(duì)風(fēng)沙環(huán)境中材料的沖蝕損傷進(jìn)行分析。根據(jù)變形磨損理論，風(fēng)沙環(huán)境中工程材料的沖蝕損傷評(píng)價(jià)公式為：

(10a)

(10b)

式中：wV為沖蝕體積損失量(m3)；ms為有效撞擊受沖蝕材料的沙粒子質(zhì)量(kg)；v為沖蝕速度(m/s)；α為沖蝕角度；vp為粒子彈出受沖蝕材料時(shí)速度的水平分量(m/s)；k為產(chǎn)生垂直方向塑性變形的臨界速度(m/s)；ξ和η分別為切削磨損因子和變形磨損因子(kg/m·s2)；α0為粒子水平速度為0時(shí)的臨界沖蝕角度。

目前研究沖蝕損傷量化的主要方法有質(zhì)量損失測(cè)定法、尺寸變化測(cè)定法、現(xiàn)代形貌測(cè)定法和放射性同位素測(cè)定法等[18]。其中質(zhì)量損失測(cè)定法是通過(guò)測(cè)量受沖蝕材料沖蝕前后的質(zhì)量變化來(lái)評(píng)價(jià)其沖蝕損傷程度。由于該方法操作簡(jiǎn)單，且能較精確地測(cè)定沖蝕損失質(zhì)量，因此在沖蝕損傷量化技術(shù)中占主要地位。為使所得到的風(fēng)沙環(huán)境中工程材料的損傷評(píng)價(jià)公式更好地對(duì)應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果，必須解決體積損傷量和質(zhì)量損傷量的轉(zhuǎn)化問(wèn)題，因此定義沖蝕質(zhì)量損失量和體積損失量的關(guān)系為：

w=wVρλ

(11)

式中：w為沖蝕質(zhì)量損失量(kg)；wV為沖蝕體積損失量(m3)；ρ為受沖蝕材料材料密度(kg/m3)；λ為受沖蝕材料受到風(fēng)沙沖蝕作用，脫落部分體積和總損失體積的比值。

根據(jù)變形磨損理論，粒子法向速度大于臨界值且反復(fù)撞擊表面時(shí)，受沖蝕材料表面將發(fā)生塑性變形，形成塑性變形表面層，并且在進(jìn)一步加工硬化后，該處的彈性極限最終將等于材料的強(qiáng)度，且不再能夠塑性變形。如果隨后增加的載荷超過(guò)材料的彈性極限，則表層被破壞并去除其碎片[17]。受沖蝕材料的塑性變形表面層存在著體積損失，但是并不存在質(zhì)量損失，塑性變形層的存在導(dǎo)致沖蝕質(zhì)量損失量不能用沖蝕體積損失量與受沖蝕材料密度的乘積表示。

在實(shí)際風(fēng)沙環(huán)境中，沙粒子的沖蝕速度一般小于50 m/s，粒徑一般小于250 μm。忽略沙粒子反復(fù)撞擊對(duì)于受沖蝕材料表面的硬化作用，并假設(shè)塑性變形層的塑性應(yīng)變沿厚度方向呈線性變化規(guī)律，根據(jù)接觸力學(xué)，可以通過(guò)計(jì)算得到塑性變形層的厚度h[11]。當(dāng)受沖蝕材料受到長(zhǎng)時(shí)間沖蝕，受沖蝕材料表面的損傷程度達(dá)到均勻時(shí)，在受沖蝕材料表面取一個(gè)極小的單元體可得：

(12)

(13)

(14)

對(duì)于延性較好的工程材料，在低角度沖蝕時(shí)的損傷程度要遠(yuǎn)大于高角度沖蝕，根據(jù)已得到的試驗(yàn)結(jié)果，聚氨酯涂層在沖蝕角度達(dá)到45°左右，沖蝕率最大[11]，低碳鋼在沖蝕角度達(dá)到20°左右時(shí)，沖蝕率最大[10]，假設(shè)聚氨酯涂層和低碳鋼的最大塑性應(yīng)變分別為30%和25%。經(jīng)計(jì)算，在粒徑為150 μm的沙粒撞擊受沖蝕材料時(shí)，聚氨酯涂層及Q235鋼的Δh1的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 塑性變形導(dǎo)致受沖蝕材料材料厚度的減小量Δh1的計(jì)算結(jié)果

該計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工程材料失效或者影響承載力時(shí)所達(dá)到的損傷深度Δh。對(duì)于脆性材料，不存在塑性變形層，Δh1為0。因此，在風(fēng)沙環(huán)境下工程材料損傷的相似性分析過(guò)程中，可以忽略受沖蝕材料的塑性變形，令λ等于1。從而得到?jīng)_蝕質(zhì)量損失量的表達(dá)式為：

w=wVρ

(15)

將式(10)代入式(15)可得：

(16a)

(16b)

由沖蝕率的定義可得：

(17)

(18a)

(18b)

式中：k、ξ、η的取值取決于沖蝕粒子及受沖蝕材料的材料性能、沖蝕粒子形狀及粒徑；密度ρ包含于受沖蝕材料的材料性能；vp不僅取決于沖蝕粒子及受沖蝕材料的材料性能、沖蝕粒子形狀及粒徑，而且還與粒子沖蝕速度v、沖蝕角度α有關(guān)；以上參數(shù)是難以計(jì)算和測(cè)量的。令φ為沖蝕粒子形狀對(duì)沖蝕率的影響系數(shù)，令φ為沖蝕粒子及受沖蝕材料材料性能對(duì)沖蝕率的影響系數(shù)，因此，把ε看作一個(gè)關(guān)于v、α、φ、φ、d的函數(shù)，記為：

ε=ε(v,α,φ,φ,d)

(19)

將式(9)代入式(19)可得：

ε=vaγ(α,φ,φ,d)

(20)

式中：γ(α,φ,φ,d)為ε提取因式va后的函數(shù)。

將式(20)代入式(17)可得：

w=msvaγ(α,φ,φ,d)

(21)

一般將受沖蝕材料受沖蝕面定義為圓形，即可以得到有效沖擊受沖蝕材料沙粒子質(zhì)量ms為：

ms=SvR2tπ

(22)

式中：S為沙塵濃度(kg/m3)；R為受沖蝕材料半徑(m)；v為沖蝕速度(m/s)；t為沖蝕時(shí)間(s)。

將式(22)代入式(21)即可得到?jīng)_蝕質(zhì)量損失量的表達(dá)式為：

w=SR2tva+1γ(α,φ,φ,d)π

(23)

工程材料在實(shí)際風(fēng)沙環(huán)境中和實(shí)驗(yàn)室模擬風(fēng)沙環(huán)境中的損傷機(jī)理是相同的，應(yīng)適用于同一個(gè)損傷評(píng)價(jià)公式，得到如下相似要求：

(24)

3 風(fēng)沙試驗(yàn)相似準(zhǔn)則

將式(2)、(4)、(5)、(6)、(8)代入式(24)可得：

(25)

改寫(xiě)為 ：

(26)

2種工況下的S(沙塵濃度)、t(沖蝕時(shí)間)、v(沖蝕速度)、w(沖蝕質(zhì)量損失量)滿足相同的物理方程，且2種工況下的初始狀態(tài)相同，時(shí)間相似，幾何相似，根據(jù)相似第三定理，2種工況下的試驗(yàn)現(xiàn)象是相似的。

通過(guò)上述分析得到了實(shí)驗(yàn)室模擬工況與實(shí)際工況中風(fēng)沙試驗(yàn)各項(xiàng)參數(shù)的相似要求，它們構(gòu)成風(fēng)沙試驗(yàn)相似準(zhǔn)則。該準(zhǔn)則令實(shí)驗(yàn)室模擬工況中沖蝕速度vm與沙塵濃度Sm作為實(shí)驗(yàn)室調(diào)整參數(shù)，通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)室模擬工況中沖蝕速度vm與沙塵濃度Sm調(diào)整實(shí)驗(yàn)室模擬風(fēng)沙試驗(yàn)的試驗(yàn)速度。將2個(gè)實(shí)驗(yàn)室調(diào)整參數(shù)同時(shí)作用于實(shí)驗(yàn)室模擬風(fēng)沙試驗(yàn)，使研究者可以更加靈活地根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)條件調(diào)整實(shí)驗(yàn)室模擬風(fēng)沙試驗(yàn)的試驗(yàn)方案，提高試驗(yàn)效率的同時(shí)降低試驗(yàn)成本。風(fēng)沙試驗(yàn)相似準(zhǔn)則內(nèi)容及推導(dǎo)過(guò)程如圖1所示。

在沖蝕過(guò)程中，粒子之間會(huì)產(chǎn)生相互撞擊，導(dǎo)致能量損失，影響沖蝕效果。Shipway在試驗(yàn)中也觀察到回彈粒子與入射粒子之間發(fā)生相互作用，并拍攝到回彈粒子與入射粒子發(fā)生碰撞的照片[19]。當(dāng)下沙率達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，隨著下沙率的增加，沖蝕率的降低會(huì)十分明顯。為減少沙粒子碰撞對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成的誤差，下沙率應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，ASTM G76-2013標(biāo)準(zhǔn)也對(duì)下沙率進(jìn)行了限制[20]。實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)的下沙率mx的計(jì)算公式為：

(27)

在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)方案時(shí)，下沙率是由實(shí)驗(yàn)室模擬工況中沙塵濃度Sm和沖蝕速度vm決定的。因此，風(fēng)沙試驗(yàn)中沙塵濃度Sm和沖蝕速度vm的加速效果是有所限制的。

該準(zhǔn)則的推導(dǎo)過(guò)程針對(duì)于風(fēng)沙環(huán)境做了假設(shè)，即沖蝕速度小于50 m/s，粒子粒徑小于250 μm，下沙率應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)，且被模擬受沖蝕材料應(yīng)受到明顯的沖蝕損傷，以上假設(shè)可以作為實(shí)驗(yàn)室風(fēng)沙試驗(yàn)參數(shù)取值范圍的限制條件，判斷試驗(yàn)參數(shù)選取的合理性。

4 風(fēng)沙模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)例

風(fēng)沙試驗(yàn)相似準(zhǔn)則是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬工程材料在風(fēng)沙環(huán)境下?lián)p傷試驗(yàn)的理論基礎(chǔ)，也是調(diào)整實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)參數(shù)的依據(jù)。利用風(fēng)沙試驗(yàn)相似準(zhǔn)則及收集到的氣象資料，對(duì)內(nèi)蒙古中西部地區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)聚氨酯涂層材料近10 a累計(jì)受到風(fēng)沙沖蝕的損傷情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，沖蝕損傷面半徑為80 mm。由氣象資料可知，內(nèi)蒙古中西部地區(qū)沙塵暴主要爆發(fā)于3～5月份，占全年沙塵暴次數(shù)的80%，本地區(qū)平均年爆發(fā)沙塵暴次數(shù)為15次，假設(shè)每次持續(xù)時(shí)間為30 min，風(fēng)速為30 m/s，沙粒粒徑主要在0.074～0.250 mm之間，沙塵濃度為10 000 μg/m3。

已得到的風(fēng)沙試驗(yàn)相似準(zhǔn)則為：

Rm=Rp

(2)

αm=αp

(4)

φm=φp

(5)

φm=φp

(6)

dm=dp

(8)

(24)

根據(jù)式(2)可得實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)中，受沖蝕材料的沖蝕面為半徑為80 mm的圓形。為得到該涂層最大沖蝕損傷程度，實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)的沖蝕角度為45°，根據(jù)式(4)可知，所模擬的鋼結(jié)構(gòu)涂層損傷部位為正西和正北方向。為保證式(5)、(6)、(8)成立，實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)應(yīng)采用和被模擬環(huán)境中相同的沙粒及鋼結(jié)構(gòu)涂層。將式(2)、(4)、(5)、(6)、(8)、代入(24)，化簡(jiǎn)可得：

(25)

因受沖蝕材料為鋼結(jié)構(gòu)聚氨酯涂層，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知a=2.4[11]，將a=2.4代入式(25)有：

(26)

忽略其它風(fēng)向，該涂層10 a中受到風(fēng)沙沖蝕的累計(jì)時(shí)間為：

tp=30×15×10×0.8=3 600 min=216 000 s

令實(shí)際工況下和實(shí)驗(yàn)室模擬工況下的沖蝕質(zhì)量損失量相同，將已知條件代入式(26)，并擬定實(shí)驗(yàn)室沖蝕時(shí)間為10 min(600 s)，可得：

研究者可以根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)情況，人為規(guī)定實(shí)驗(yàn)室模擬風(fēng)沙試驗(yàn)的沖蝕速度或者沙塵濃度，如果首先確定實(shí)驗(yàn)室沙塵濃度為1 000 000 μg/m3，可得實(shí)驗(yàn)室沖蝕速度為：

vm=43.7 m/s

下沙率為：

mx=52.8 g/min

若首先確定實(shí)驗(yàn)室沖蝕速度為35 m/s，可得實(shí)驗(yàn)室沙塵濃度為：

Sm=2 131 490.2 μg/m3

下沙率為：

mx=89.9 g/min

以上得到的2組風(fēng)沙試驗(yàn)方案中沙粒粒徑小于250 μm，沖蝕速度小于50 m/s，下沙率處于合理范圍，滿足該準(zhǔn)則對(duì)于試驗(yàn)參數(shù)范圍的限制條件，均可用于模擬鋼結(jié)構(gòu)聚氨酯涂層在以上區(qū)域風(fēng)沙環(huán)境下受到的沖蝕損傷。

利用該準(zhǔn)則，研究者可以根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)條件，通過(guò)計(jì)算得到針對(duì)實(shí)際工況下實(shí)驗(yàn)室模擬風(fēng)沙試驗(yàn)各個(gè)參數(shù)的取值。在保證實(shí)驗(yàn)室模擬工況中的粒子性能、被沖蝕材料性能及沖蝕角度和實(shí)際工況相同且模擬風(fēng)沙試驗(yàn)加速程度確定的前提下，得到模擬風(fēng)沙試驗(yàn)中沖蝕速度和沙塵濃度的數(shù)值關(guān)系。當(dāng)實(shí)驗(yàn)室模擬風(fēng)沙試驗(yàn)中的沖蝕速度和沙塵濃度滿足所得到的數(shù)值關(guān)系，且實(shí)驗(yàn)室風(fēng)沙試驗(yàn)中參數(shù)取值在允許范圍內(nèi)，即可通過(guò)實(shí)驗(yàn)室風(fēng)沙試驗(yàn)?zāi)M工程材料在實(shí)際工況下的損傷程度。

5 結(jié) 論

(1)基于變形磨損理論及相似理論，提出風(fēng)沙試驗(yàn)相似準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則明確了實(shí)驗(yàn)室模擬風(fēng)沙試驗(yàn)中各項(xiàng)參數(shù)的取值，提高實(shí)驗(yàn)室模擬風(fēng)沙試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，該準(zhǔn)則建立了實(shí)際工況下材料沖蝕損傷和實(shí)驗(yàn)室模擬工況下材料沖蝕損傷的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)可以模擬工程材料在特定區(qū)域風(fēng)沙環(huán)境下一定時(shí)間內(nèi)的損傷程度，也可以預(yù)測(cè)工程材料在特定區(qū)域風(fēng)沙環(huán)境下的使用壽命。

(2)利用該準(zhǔn)則，研究者可以根據(jù)實(shí)際情況，通過(guò)調(diào)整Sm(實(shí)驗(yàn)室沙塵濃度)和vm(實(shí)驗(yàn)室沖蝕速度)的數(shù)值，控制模擬風(fēng)沙試驗(yàn)速度。2個(gè)實(shí)驗(yàn)室調(diào)整參數(shù)同時(shí)作用于實(shí)驗(yàn)室模擬風(fēng)沙試驗(yàn)，可以提高加速效果，優(yōu)化試驗(yàn)參數(shù)的取值。

(3)通過(guò)該準(zhǔn)則獲得用以模擬鋼結(jié)構(gòu)聚氨酯涂層在內(nèi)蒙古中西部實(shí)際風(fēng)沙環(huán)境下規(guī)定時(shí)間的損傷程度的實(shí)驗(yàn)室風(fēng)沙試驗(yàn)中參數(shù)的取值，從實(shí)際應(yīng)用入手，體現(xiàn)該準(zhǔn)則的適用性和靈活性，并為其他工程材料在風(fēng)沙環(huán)境下?lián)p傷程度及使用壽命的預(yù)測(cè)提供思路。