基于热力学分析的疲劳损伤与寿命预测研究

摘要

现代机械面对的服役环境越发复杂，用户对材料寿命的要求也不断提高。而疲劳本身又是金属材料失效的一个重要原因，对疲劳的研究在经济层面，安全层面和环境层面都有重要意义。然而疲劳问题本身的复杂性使得疲劳理论彼此较难兼容，不同的理论只能在特定范围内解释有限的问题。传统的研究手段也鲜有重大突破，众多因素困扰着疲劳研究的发展。当下迫切需要找到现有条件允许的研究方向和研究手段以克服疲劳复杂性对疲劳理论发展带来的瓶颈。
　　本研究以航空制造业中常见的300M钢和LY12CZ铝合金为对象展开疲劳研究，同时利用先进的红外检测手段对疲劳过程中的温度演化进行监测。从疲劳本身和疲劳伴生的温度响应入手分析，同时理论上深入到能量层面和热力学层面探究疲劳损伤的本质。并最终在热力学框架下，通过熵这样一个无序性和不可逆性指标进行疲劳损伤评价。很大程度上解决了疲劳复杂性问题。论文主要内容如下：
　　1.通过疲劳温度演化试验研究与现象分析，给出一套基于温度演化的疲劳剩余寿命预测方法。在试验研究阶段，为了分析可能对疲劳温度响应和疲劳过程中熵变化造成影响的因素，用航空制造业中常见的金属材料300M钢和LY12CZ铝合金制备一系列不同规格的（不同几何尺寸、不同晶粒度等级）试件，并在测试中施加不同的轴向循环载荷（不同幅值、不同应力比、不同加载次序的多级加载等）。为了分析了上述因素对疲劳温度演化的影响，所有疲劳测试的温度演化过程都由高精度红外成像仪即时监测。随后对现有基于疲劳温度演化的寿命预测模型难以预测加载历史不明的受损件剩余寿命的问题进行深入研究。在疲劳温度演化试验中引入激励载荷（不同于测试载荷的循环载荷）。疲劳试验在不同的加载周次下被暂停，并在试件冷却后施加短时间的激励载荷，记录不同受损情况下的受激温升斜率。发现经历了不同循环周次时对应的受激温升斜率和试件此时所消耗的寿命存在线性关系，且这种关系对不同载荷幅值和晶粒度水平均适用。在此基础上提出了“参考斜率曲面系”的概念。
　　2.为了揭示疲劳温度演化的本质，将裂纹尖端应变场释放的能量作为疲劳热效应的主因进行热耗散分析，尝试给出疲劳热源演化规律。鉴于能量不能直接作为裂纹扩展行为的度量，将Paris公式作为裂纹扩展行为的描述模型以确定裂尖位置和周次的关系，从而确定特定周次下应力应变场的位置和形态，即得到了裂尖热源位置和功率的演化过程。模拟分析中考虑了材料的循环硬化效应，在裂纹演进的关键位置设置计算采样点。将塑性应变能和弹性应变能的作用效果进行了分离，发现滞回生热主要导致试件平均温度的上升，而弹性生热主要导致平均温度的小幅涨落。同时发现裂尖的塑性应变能密度会随循环周次增加，但增加速率会由于循环硬化的产生而逐步降低。实际应力越大则裂尖塑性区越大，能量释放率越高，热源功率越高，试件温度响应更剧烈。最后用分析得到的疲劳热源数值还原了疲劳温度演化过程。
　　3.尝试用疲劳过程中的不可逆熵产描述疲劳损伤。从变形体的熵平衡方程入手分析由热和变形导致的疲劳系统熵变化。用克劳修斯不等式将系统的熵产和熵流进行剥离，简化疲劳过程的熵产分析，排除了内部变量对熵产的影响。将疲劳熵产归结为塑性应变能和温度的比值。在此基础上重点分析了疲劳过程中体积熵产率的变化与熵产累积。发现熵产率随载荷增大而增大，整个疲劳过程中熵产率基本保持恒定。整个疲劳过程的累积熵产最终会达到一个定值（破坏临界值），该值被定义为“疲劳断裂熵”，且独立于载荷大小、载荷频率、应力比和试件几何尺寸，但晶粒度会影响疲劳断裂熵。疲劳断裂熵不会随着晶粒的细化而无限加大。不同载荷下的熵产累积之和在疲劳断裂发生时达到疲劳断裂熵，该规律可以用于损伤评估。
　　4.用熵流和熵产指标构建损伤变量，通过连续损伤力学的损伤评估方式扩展熵流和熵产的疲劳损伤评估能力。发现用熵流和熵产构建的损伤变量能有效评估疲劳过程中的实际损伤，且损伤变量通过寿命归一化处理即可摆脱载荷幅值、应力比、载荷频率、晶粒度和试件几何尺寸对损伤评估的影响。可以通过设置损伤变量临界值的方式预警疲劳破坏的发生。以熵产指标构造的损伤变量还能有效评估多级加载次序效应对金属材料带来的影响。对二级和三级循环加载测试的分析发现熵产指标构造的损伤变量能够有效区别不同载荷幅值加载序列对疲劳损伤带来的实际影响，对载荷次序效应的描述能力强于Miner损伤法则。

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1 第一章 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 文献综述

1.3 研究内容与章节安排

2 第二章 基于温度演化的疲劳剩余寿命预测方法

2.1 引言

2.2 疲劳测试平台

2.3 红外温度监测系统

2.4 试验材料与试件制备

2.5 试验方案设计

2.6 试验结果分析

2.7 受损件剩余疲劳寿命快速无损预测

2.8 本章小结

3 第三章 疲劳过程中的能量耗散分析

3.1 引言

3.2 疲劳过程中的能量变化

3.3 疲劳裂纹扩展规律与裂尖应力应变分析

3.4 疲劳过程中的热源分布

3.5 本章小结

4 第四章 以热力学熵为失效判据的疲劳行为研究

4.1 引言

4.2 低周疲劳金属的熵平衡方程

4.3 低周疲劳金属的熵产分析

4.4 与疲劳相关的热力学力和热力学流

4.5 疲劳过程熵产与熵流的估算

4.6 疲劳断裂熵

4.7 本章小结

5 第五章 基于热力学熵的疲劳损伤力学

5.1 引言

5.2 连续损伤力学与疲劳相关的损伤变量

5.3 基于熵的损伤变量构造与损伤分析

5.4 本章小结

6 第六章 总结与展望

6.1 全文工作总结

6.2 后续研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文和参加科研情况

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