复合型疲劳裂纹不自相似扩展行为的理论模型与实验研究

多轴载荷复合型疲劳破坏是航空、机械、土木等工程结构的主要破坏形式之一。针对复合型疲劳裂纹的不自相似扩展特性，基于启裂与扩展源自同样的疲劳损伤机制，提出一个预测复合型疲劳裂纹扩展路径和扩展速率的理论模型。探求复合型疲劳裂纹的不自相似扩展机理，明确裂尖场结构、加载历史和加载条件的作用机制，确定裂尖断裂过程区的形状、大小和临界疲劳损伤；基于热力学第一定律建立一个多轴疲劳损伤准则，提出基于裂尖断裂过程区损伤开裂的预测复合型疲劳裂纹扩展路径和扩展速率的理论模型；在通用有限元软件ABAQUS平台上，开发耦合了A-F类循环塑性本构模型和扩展有限元法的用户单元子程序UEL以及理论预测模型的用户子程序USDFLD，准确模拟复合型疲劳裂纹的动态扩展行为；实验研究复合型疲劳裂纹扩展行为，并验证提出的理论模型。本项目可望提供一套系统的疲劳寿命预测方法，为机械设备的设计、安全运行以及剩余寿命评估提供理论支撑。

本课题在上一个国家基金海外青年学者合作研究基金项目（50428504）的基础上进一步开展研究，建立一种预测复合型疲劳裂纹扩展路径和扩展速率的理论模型，用于复杂载荷作用下的复合型疲劳裂纹的寿命预测。通过几种材料的多轴疲劳试验，建立能准确描述其相应材料循环塑性变形特征的A-F类塑性本构模型，并开发子程序UMAT嵌入ABAQUS有限元软件，用于分析裂纹尖端的弹塑性应力应变场。提出的复合型疲劳裂纹扩展预测模型不仅能够预测裂纹扩展速率还能够准确地预测残余损伤区内疲劳裂纹的扩展路径。利用该模型，并结合材料的循环塑性本构方程，对复杂载荷条件下（不同应力比，高低幅，过载，I+II型复合裂纹）的标准CT试样进行了预测，并对2024-T4铝合金和16MnR钢两种具有代表性材料进行了鉴证性复合型疲劳裂纹扩展实验研究，预测的裂纹扩展速率结果和扩展方向均与实验数据吻合良好，验证了本课题提出的理论模型的正确性。该方法可直接通过材料的多轴疲劳性能，充分考虑加载历史对裂纹扩展行为的影响，从而来确定裂纹扩展方向和速率。基于准确的有限元模型，利用残余应力、裂纹闭合和循环塑性区等理论对复杂载荷作用下的复合型疲劳裂纹扩展机理进行了深入研究。本课题在International Journal of Fatigue发表论文3篇，Journal of Pressure Vessel Technology-Transaction of the ASME发表论文1篇，机械工程学报英文版1篇，总计发表期刊论文8篇。参加了多次国内外学术会议并作相关内容的学术报告。研究成果在压力容器的安全评定和疲劳寿命预测中得到应用，获得2010浙江省科学技术一等奖一项。