基于连续介质损伤力学理论的金属构件微动疲劳失效准则与寿命预估方法研究

金属构件微动疲劳寿命分析对于飞机以及高速列车中一些重要部位的结构设计与实际使用非常重要。但由于影响微动疲劳寿命的因素很多，各因素之间又相互耦合，从而建立普遍适用且能客观反映微动疲劳损伤演化规律的定量寿命分析方法非常困难。本项目拟以连续介质损伤力学理论为基础，首先，采用有限元方法获取微动接触区应力分布规律和应力循环特征，进而提取并描述影响结构微动疲劳损伤演化的独立力学参量，建立描述材料损伤演化规律的损伤演化方程，以及裂纹萌生和扩展的统一准则；其次，研究材料疲劳性能与结构微动疲劳寿命的参数内在关联，进而通过标准件普通疲劳试验获取用于结构微动疲劳寿命分析的参数；然后，建立自编损伤力学分析模块与商用有限元软件应力分析模块的交互，进行构件应力场与损伤场的交替迭代计算，给出微动疲劳裂纹萌生寿命、扩展寿命和扩展路径。为损伤力学理论的发展作出贡献，并为工程结构的微动疲劳寿命预估提供一种新理论与新方法。

金属构件微动疲劳寿命分析对于很多工程结构的实际使用非常重要。但由于影响微动疲劳寿命的因素多，且各因素之间存在相互耦合，因此建立适合工程应用且能客观反映微动疲劳损伤演化规律的定量寿命分析方法非常困难。本项目以连续介质损伤力学理论为基础，通过有限元微动接触应力分析，提取出影响结构微动疲劳损伤演化的独立力学参量，在理解和描述结构微动疲劳损伤演化本质方面取得进展；进一步，构建了包含多个影响因素作用的新型损伤演化方程，建立了金属构件微动疲劳损伤演化模型；并在此基础上，建立了微动疲劳寿命预估的损伤力学—有限元数值解法，为工程结构的微动疲劳寿命的定量分析提供一种新的理论思路与解决方案。具体研究成果包括以下几个方面：.1）基于商用有限元软件，建立了能够精确进行微动接触应力分析的有限元模型，在此基础上，系统研究了微动区局部应力场的分布特点和影响因素，以及该应力场在一个载荷循环内的变化情况，为损伤演化模型的建立奠定了基础；.2）通过对微动接触局部力学特性的损伤力学分析，提取出影响结构微动疲劳损伤演化的独立力学参量，进一步建立了包含接触区局部应力场特性参数的微动疲劳损伤演化方程，并给出了损伤演化参数的识别方法，使得仅仅通过光滑件疲劳试验结果和一个缺口件疲劳试验点即可确定全部损伤演化参数；.3）在前面微动损伤演化模型的基础上，建立了损伤力学—有限元数值解法，形成了自编损伤力学分析模块与商用有限元软件应力分析模块的交互，实现了考虑损伤场与应力应变场的耦合运算。以此为基础即可以进行工程结构的微动疲劳寿命预估。.4）通过与试验结果的对比，验证了本项目研究所建立的模型和方法的正确性和适用性，为后续的深入研究和工程应用奠定了很好的基础。