循环软化钛合金的疲劳弹性失效机理及寿命预测研究

Study on fatigue elastic failure is extremely helpful in reducing self-weight of disposable mechanical elements and increasing payload of spacecrafts. This project aims to clarify the mechanism for fatigue elastic failure of the cyclic softening titanium TC4 and try to establish its life prediction model. Firstly, an innovative fatigue stochastic finite element method is proposed and employed to develop a numerical model for demonstrating the fatigue elastic failure process, then simulation results could reveal the evolution process of material microstructures during fatigue elastic failure. Secondly, in addition to simulation results, experimental observations and theoretical analysis are conducted to figure out the mechanism of fatigue elastic failure and the relation between fatigue fracture failure and fatigue elastic failure via micro crack initiation and propagation. Finally, based on the relation between these two kinds of failures, the theoretically life map from fatigue fracture failure to fatigue elastic failure is proposed and verified by a lot of fatigue life tests. On the basis of the life map, the prediction model of fatigue elastic life may be established. According to the developed model, the fatigue elastic life can be conveniently evaluated based on the sufficiently researched fatigue fracture life. As a result, plenty of life tests can be avoided, which could spread the application of fatigue elastic failure principle rapidly and wildly. The project is greatly useful to optimize the design and maximize payload of spacecrafts.

疲劳弹性失效研究对于减轻一次性机械零件的自重、提高航天器的有效载重具有重要意义。本项目以循环软化钛合金TC4的疲劳弹性失效为研究对象，揭示疲劳弹性失效机理，并建立疲劳弹性寿命预测模型。首先，提出疲劳随机有限元方法建立疲劳弹性失效仿真模型，并利用该模型仿真研究材料微观组织结构的演化过程。其次，在仿真结果指导下，通过实验观测和理论分析，揭示疲劳弹性失效的发生机理，以微裂纹的萌生和扩展为纽带，探索疲劳弹性失效与疲劳断裂失效之间的内在联系。最后，根据其内在联系，建立从疲劳断裂寿命到疲劳弹性寿命的理论映射关系，并通过大量疲劳寿命实验进行修正，最终建立疲劳弹性寿命预测模型，从而实现利用疲劳断裂寿命评估疲劳弹性寿命。本预测模型的建立可以避免对材料疲劳弹性寿命的大规模实验测试，有利于疲劳弹性失效理论的快速推广和广泛应用。本项目对实现航天器的最优设计和提升其有效载重具有重要的理论指导及工程推广意义。

作为一次性机械的重要失效形式和特殊设计考量，疲劳弹性失效主要用于描述部分塑性金属材料在较高水平循环应力的作用下，最初能够保持弹性变形，但随着作用次数的增加，保持弹性变形的能力逐渐丧失，进而在疲劳断裂前出现明显塑性变形的现象。区别于常规机械设计中主要关注的高周疲劳断裂失效，疲劳弹性失效主要发生在低周疲劳初始阶段，通过显著的塑性变形影响机械零件的形位精度，从而造成整个系统性能指标降低甚至设计功能丧失，根据机械设计的基本要求，将累积的总塑性应变达到0.2%时的应力循环数定义为疲劳弹性失效寿命。.由于疲劳弹性失效概念较新，相关材料的疲劳弹性寿命数据极度缺乏，限制了疲劳弹性失效概念在一次性机械设计中的实际应用。本项目以常用材料40Cr调质钢为主要研究对象，钛合金TC4和不锈钢316两类有代表性的金属材料作为对比有所涉及，基于Voronoi镶嵌算法建立代表性体积单元，在其中引入材料微观力学性能分散性，结合损伤耦合的疲劳弹性失效本构模型，建立晶体塑性有限元仿真模型，用以仿真研究疲劳弹性失效行为。通过试验和仿真结果对比研究发现，疲劳弹性失效行为的诱发条件在于材料在高循环应力作用下弹性疲劳损伤造成的微观局部塑性应变累积，材料的循环软化和棘轮效应加速了塑性应变的累积，直至超过允许的塑性变形范围。在揭示疲劳弹性失效机理的基础上，利用所建立的晶体塑性有限元仿真模型预测疲劳弹性失效寿命，仿真结果与试验结果的分散带基本一致，验证了疲劳弹性失效寿命预测模型的有效性。.基于本项目研究理论研究成果，针对传动零部件和结构零部件的使用特点，研制了一次性使用的重载谐波减速器，其重量较常规设计方法得到谐波减速器的重量减小50%以上，承载能力提升5倍以上，明显降低了航空航天用一次性使用机电伺服系统传动部件的体积和重量，本项目研究成果在航空航天等领域中具有一次性使用需求的机电装备低成本设计方面具有广泛的应用前景，极具推广和应用价值。.