由于桥梁缆索长期承受交变载荷并暴露于污染严重的自然环境中,腐蚀疲劳破坏是缆索用高强钢丝典型的失效模式之一。本文在总结国内外腐蚀疲劳破坏及钢丝性能劣化规律研究的基础上,从钢丝腐蚀疲劳损伤演化的理论出发,基于对腐蚀缺陷本质特征的合理分析,利用元胞自动机技术建立含初始缺陷的高强钢丝模型,编写用户材料子程序对钢丝腐蚀疲劳损伤累积过程进行数值模拟,评估钢丝腐蚀疲劳损伤并预测其寿命,揭示钢丝腐蚀疲劳失效的机理以及不同类型和不同尺度的腐蚀缺陷对疲劳性能的影响效应。论文的主要工作及其成果有:1)利用元胞自动机技术模拟腐蚀过程,生成初始点蚀坑模型。从金属腐蚀的电化学本质出发,将高强钢丝腐蚀过程的金属、钝化膜、腐蚀介质系统离散成三维圆柱状元胞自动机空间中的有序元胞,定义元胞的转换规则,从介观尺度对金属点蚀形成过程进行模拟,获得钢丝表面的初始随机不规则点蚀缺陷的形态和位置数据。利用MATLAB、AutoCAD、RHINO和ABAQUS软件间的接口程序,将MATLAB中生成的点蚀数据依次导入上述各软件中,分别生成三维网格模型、曲面模型和几何模型,实现含初始点蚀缺陷的高强钢丝的可视化。该几何模型不对初始点蚀缺陷做出预先假定,能够充分考虑金属腐蚀过程的随机性,并较好地展现钢丝表面点蚀形貌的分布。2)为了模拟与循环载荷以及环境相关的腐蚀疲劳损伤累积过程,首先,基于线弹性有限元方法,针对腐蚀疲劳损伤分析的特点,设置基于循环块的求解过程。接着,从连续介质损伤力学模型出发,利用FORTRAN语言编写材料子程序UMAT,参考生死单元法的思想实现腐蚀疲劳损伤累积的模拟,同时利用文献中的试验结果证明该方法的准确性。最后,通过PYTHON语言编写的脚本程序实现循环载荷的施加过程,有效地提高了建模分析的效率。3)对高强钢丝在预腐蚀疲劳作用下的损伤累积过程进行模拟,并预测含初始点蚀缺陷的高强钢丝的疲劳寿命。计算结果表明:在预腐蚀疲劳作用下,点蚀坑底的高应力区最早出现损伤单元,损伤区域的分布情况会受到点蚀坑形貌的影响。随着循环载荷的施加,疲劳损伤不断累积并深入到距离点蚀坑较远的钢丝内部,损伤累积的速率逐渐增大,并且钢丝模型中的应力分布也会随损伤的累积而发生改变。随着初始腐蚀程度的增加,钢丝的疲劳性能逐渐下降,应力集中是造成预腐蚀钢丝疲劳寿命衰减的主要原因。由于随机点蚀坑中尖角的存在,含随机点蚀坑的锈蚀钢丝的疲劳寿命远小于含规则半椭球点蚀坑的锈蚀钢丝的疲劳寿命。在预腐蚀质量损失率相同的条件下,锈蚀钢丝的疲劳寿命与点蚀坑的个数正相关,与点蚀坑间角度正相关,与点蚀坑间距无关。4)对高强钢丝在腐蚀疲劳耦合作用下的损伤累积过程进行模拟,并预测含初始点蚀缺陷的高强钢丝的腐蚀疲劳寿命。计算结果表明:在腐蚀疲劳的耦合作用下,腐蚀介质和疲劳载荷之间相互促进,导致材料抗疲劳性能的衰退。但在不同的应力水平下,腐蚀作用对钢丝疲劳性能的影响程度不同,且在损伤累积的过程中,腐蚀疲劳相互耦合的效应不断增强,对钢丝性能的不利影响逐步增大。相较于含规则点蚀坑的钢丝模型,随机点蚀坑模型更易于出现损伤单元,损伤累积过程相对复杂且寿命更短。在初始点蚀坑深度相同的条件下,高强钢丝的腐蚀疲劳寿命与点蚀坑的个数无关,与点蚀坑间角度正相关,与点蚀坑间距正相关。本文提出的数值模拟方法基于对腐蚀缺陷本质特征的合理分析,弥补了现有模拟方法仅针对规则二维面状缺陷或规则三维体积缺陷的不足,充分考虑了随机不规则点蚀形貌和尺度对钢丝力学性能的影响,能很好地预测含随机初始点蚀缺陷的高强钢丝的剩余寿命,在一定程度上能够部分替代腐蚀疲劳试验,大大节省了试验时间和试验费用,对于合理确定桥梁典型构件的疲劳强度与服役安全性评估具有重要的理论意义和现实意义。