载荷相位对热-机疲劳非线性耦合损伤影响研究

Thermo-mechanical fatigue failure of components subjected to cyclic mechanical load and thermal load will occur, which significantly reduces the fatigue life and security of equipments. Loading phase represents the peak value correlation between mechanical load and thermal load. It directly influences the nonlinear damage interaction and fatigue life of thermo-mechanical fatigue. This project investigates the influence of loading phase on nonlinear damage interaction of thermo-mechanical based on microscopic damage mechanics. The research topics consist of the following: 1) microscopic damage model representing the effect of loading phase on thermo-mechanical fatigue damage; 2) numerical analysis method unifying the process of crack initiation and crack propagation; 3) impact of loading phase on thermo-mechanical coupled damage. The aforementioned research work is expected to provide more insight into the microscopic damage of thermo-mechanical fatigue, unify the numerical analysis of crack initiation and crack propagation, and propose easy and accurate analysis approaches and calculation tools for the thermo-mechanical fatigue damage and life prediction analysis.

结构在循环机械载荷和热负荷的耦合、连续作用下将产生热-机疲劳破坏，严重影响装备的使用寿命及安全性。载荷相位表征了热-机疲劳过程中机械载荷与热负荷的峰值对应关系，直接影响热-机疲劳的非线性耦合损伤作用关系和疲劳寿命。本项目旨在利用细观损伤力学分析方法研究载荷相位对热-机疲劳耦合损伤的影响。具体的研究内容包括：1）表征载荷相位影响下的热-机疲劳细观损伤模型；2）统一裂纹萌生与扩展过程的数值计算方法； 3）载荷相位对热-机疲劳耦合损伤影响。通过本项目研究，可以进一步加深对热-机疲劳微细观损伤的认识，实现裂纹萌生与扩展这一连续物理过程的数值模拟，为热-机疲劳损伤分析及寿命预测问题研究提供更加便捷准确的分析方法与计算工具。

热-机疲劳破坏是一种严重影响结构件疲劳性能的失效模式，其产生的机理主要为蠕变损伤和疲劳损伤的耦合作用。目前，载荷相位对热-机疲劳行为的影响并不十分清晰。本研究项目从柴油机铸造铝合金材料的基本力学特性入手，开展了包括材料热物性（导热系数、线膨胀系数等）、高温拉伸力学性能、高温蠕变试验、热-机疲劳试验、微观组织金相分析等在内的基础试验研究，获得了材料的力学和蠕变、疲劳性能基础试验数据。另一方面，从细观损伤力学的基础理论入手，对传统的GTN损伤模型进行高温和循环载荷适应性修正，建立了适用于金属材料热-机疲劳载荷的修正GTN模型。通过单轴拉伸破坏试验和蠕变试验等数据，校验了模型的相关参数，验证了模型的可行性和准确性。随后，通过分析热-机疲劳载荷下材料的微观组织形貌演化和断口分析，发现铝合金微观组织中的二次撕裂楞和孔洞缺陷对疲劳性能产生直接影响，是疲劳断裂的重要影响因素之一。最后将修正的GTN细观损伤模型应用到热-机疲劳裂纹萌生和扩展的连续模拟分析，研究了载荷相位影响下热-机疲劳损伤特点，为热-机疲劳问题研究扩充了材料基础试验数据，拓展了GTN细观损伤模型在热-机疲劳模拟领域的适用性。目前，已发表由本基金项目资助并进行标注的SCI检索期刊论文3篇，中文核心论文1篇。