基于温度场演化特征的金属疲劳能量耗散与损伤评定理论的研究

The disadvantages of the long cycle and high cost of fatigue test makes it a significant problem for modern structural design, and the developments of fatigue thermography and damage evaluation theory provide efficient approaches to solve this problem. However, at the present stage fatigue energy method based on the temperature response has the shortages of excessive influencing factors, undefined physical meaning, imperfect theoretical system and some unsolved mechanisms, which becomes the bottleneck limiting its application on fatigue evaluation. The present project will mainly focus on the study of the energy dissipation and damage evaluation theory of metal fatigue based on the temperature field evolution characteristics. The self-heating mechanisms and rules of metal fatigue will be investigated to provide necessary theoretical basis for fatigue thermography theory, damage evaluation and micro-structure status analysis. The control equation of fatigue energy dissipation will be constructed for creating the quantitative model between the temperature signals and heat sources so that the energy dissipation parameters can be quantitatively evaluated to establish the basis of the energy damage evaluation theory. The energy damage model will be derived to develop the relationship between the macro-fatigue behavior and micro-structure evolution status so that the fatigue damage mechanisms can be deeply analyzed to improve the fatigue energy method and damage evaluation theory. The present work not only has important innovation and theoretical value, but also has important scientific value and industrial application prospect.

疲劳实验周期长、成本高的缺点是现代结构设计中的重大难题，疲劳热像法和损伤评估理论的发展为解决该问题提供了有效的途径。然而，现阶段中基于温度响应的疲劳能量方法具有影响因素多、物理意义不明确、理论体系不完善和部分机理性问题尚未解决的不足，这成为制约其在疲劳评定中应用的“瓶颈”。本项目将重点开展基于温度场演化特征的金属疲劳能量耗散与损伤评定理论体系的研究。通过研究金属疲劳生热机理和规律，为疲劳热像理论、损伤评定和微结构状态分析提供必备的理论依据；通过构建疲劳能耗控制方程，建立温度信号与热源之间的定量模型，实现对能耗参量的定量评价，为能量损伤评定理论奠定基础；通过推导能量损伤定量模型，建立宏观疲劳行为特征和微观结构演化状态之间的有机联系，深入剖析疲劳损伤机理，完善疲劳能量方法和损伤评定理论体系。本项目不仅对疲劳评定具有重要的创新意义和理论价值，而且具有重要的科学意义和工程应用前景。

长寿命结构设计时需要考虑结构在复杂交变载荷作用下的抗疲劳特性，这就要预先掌握材料在不同载荷条件下的疲劳参数。疲劳实验是获取材料和结构疲劳性能的主要方法，然而传统的疲劳实验方法周期长、成本高、资源占用量大，成为缩短产品研发周期和降低成本的重要挑战，也是现代工业设计中急需解决的关键问题。疲劳损伤累积的过程实质上是能量耗散的过程，也就是说能量耗散是联系疲劳宏观现象和微观响应的枢纽，所以疲劳能量理论为疲劳评估提供了有效的途径。然而，现阶段基于温度场变化的疲劳热像法存在影响因素多、物理意义不明确、理论体系不完善和部分机理尚未明确等“瓶颈”问题，本项目通过实验、仿真和理论研究方法，建立基于耗散能的疲劳损伤评估和寿命预测模型，完善疲劳热像法的理论基础和物理意义。本项目探讨了铝合金、Q235钢和FV520B钢的疲劳自生热和温升变化规律，分析了加载频率、材料性能及试件几何等特征对生热规律的影响，揭示疲劳自生热主要是由内部微观组织的不可逆微塑性变形所致，是引起疲劳损伤不断累积的重要原因；分析了金属疲劳的能耗结构及其在疲劳过程中的作用，构建了金属疲劳的能耗控制方程，以能耗为控制参量建立了物理意义明确的疲劳极限和寿命预测方法，完善了疲劳热像法的理论基础；基于宏微观力学和连续热力学理论，建立了疲劳宏观应力和微观应力应变的本构关系，提出了一种高周疲劳微塑性变形计算模型，在疲劳宏观现象和微观响应之间建立了联系，揭示了宏微观疲劳损伤失效的机理。通过本项目研究形成了相对完善的金属疲劳能量耗散理论计算方法、损伤评定和寿命预测方法以及损伤失效机理研究方法，基本能够解决传统疲劳实验周期长、成本高和资源占用量大的问题，具有较大的科学价值和工程应用前景。本项目共发表学术论文17篇，包括5篇SCI、5篇EI、核心和国际会议7篇等，协助培养硕士生2名，博士生2名。