面向大型机械结构失效评价与寿命预测的多尺度理论研究

石油化工装备、核电压力容器、制药设备等大型机械结构长期服役时，经常发生腐蚀、疲劳、断裂等失效，它们的失效评价与寿命预测是理论和工程界关注的热点课题。由于大型机械失效过程表现出跨越微观、细观和宏观的多尺度效应，损伤演化的机制复杂，失效评价困难，多尺度效应成为机械工程学科前沿课题。本项目采用非局部连续介质力学理论、数值模拟和实验方法，研究多尺度效应，揭示多尺度损伤的规律，从宏观结构、细观局部损伤区、微观组织等层面阐明失效机制，提出新的损伤参量；引入联系细观与宏观的多尺度能量积分，建立多尺度损伤关联的演化方程；探索损伤形成的临界条件和多尺度寿命预测模型，从而建立多尺度失效评价的基本原理和寿命预测方法，为解决机械结构失效评价的多尺度重要科学问题奠定基础，在结构长期安全服役领域开辟新的研究方向。并以厚壁高压容器的应力腐蚀-疲劳交互损伤失效为研究实例，验证理论的正确性和工程应用的有效性。

随着结构尺度大型化、服役条件极端化，大型机械结构失效过程表现出明显的多尺度效应。由于损伤过程位于不同量级空间尺度上并相互耦合，损伤演化的机制复杂，失效评价困难，这对建立面向大型机械结构的多尺度失效评价方法提出了迫切需求。本项目定义了完整的多尺度损伤变量及转化规则，基于损伤力学、热力学、弹塑性力学和统计学对损伤材料进行了多尺度关联分析，建立了多尺度损伤关联演化模型，提出了概率性多尺度损伤本构模型和多尺度损伤变量概率估计方法，并进一步运用信息论方法评价了多尺度损伤的不确定性。同时，针对石油化工设备的多尺度腐蚀失效行为，分析了不同尺度上的腐蚀机理，提出了石化设备腐蚀失效多尺度风险分析方法。研究成果可增进对多尺度失效机理的理解，为解决多尺度失效评价难题提供新的思路，具有重要的方法论理论研究意义。项目提出的本构模型和失效评价方法可应用于以厚壁压力容器为代表的石油化工设备，有助于改进结构精细化设计、降低失效风险、减少失效事故的发生，具有重要的工程应用价值。