多尺度疲勞裂紋擴展機理研究和建模

《多尺度疲勞裂紋擴展機理研究和建模》是依託北京航空航天大學，由張慰擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：多尺度疲勞裂紋擴展機理研究和建模
• 依託單位：北京航空航天大學
• 項目負責人：張慰
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

金屬材料和結構的疲勞損傷是造成機械/機電產品尤其是長壽命高可靠性產品故障的最重要原因之一。本項目將研究建立一種多尺度的疲勞裂紋擴展模型，此模型的最大的優點就是可以在不同的時間和空間尺度下對疲勞損傷進行分析，比如從描述微觀裂紋在載荷周期內任意時刻的瞬時行為到估算巨觀結構整體的疲勞壽命，從而得到更準確和可信的疲勞壽命預測。本項目基於小時間尺度（Small-Time-Scale）的基本概念，根據掃描電鏡（SEM）和光學顯微鏡下原位疲勞裂紋擴展試驗(In-Situ SEM/Optical Microscopy Fatigue Crack Growth Testing)所觀測到的微觀疲勞裂紋擴展行為和機理，建立小時間尺度下描述疲勞裂紋尖端行為的物理模型，然後在這個微觀物理模型的基礎上進一步建立多尺度的疲勞裂紋擴展模型，從而實現對疲勞損傷和疲勞壽命準確實時的預測。

結題摘要

機械結構的疲勞壽命預測問題由來已久，但是其基本理論和方法本質上仍然屬於經驗模型而非物理模型。較落後的理論和方法制約著機械結構設計和結構健康監控中疲勞壽命預測的精確性和可靠度。本項目基於小時間尺度（Small-Time-Scale）的基本概念，提出了與傳統法方有著本質不同的疲勞分析理論和方法，該方法的先進之處在於建立疲勞裂紋的物理模型，將疲勞損傷從微觀、細觀和巨觀上聯繫和統一起來。申請人成功設計並實施了微觀和細觀下原位疲勞裂紋擴展試驗(In-Situ SEM/Optical microscopy fatigue crack growth testing)，觀測到在一個載荷周期內疲勞裂紋擴展行為，根據試驗觀測建立小時間尺度下描述疲勞裂紋尖端行為的物理模型，進而提出多尺度的疲勞裂紋研究方法，實現疲勞損傷和疲勞壽命準確實時的預測。本研究以常用的航空鋁合金Al2024、Al7075為主要的材料對象，在大量的譜載荷試驗數據的驗證下，取得了很好的預測精度。飛行器結構疲勞關鍵部位的裂紋擴展行為出精確、實時的估計，是新一代先進的飛行器單機健康監控關鍵技術之一，本研究在飛行器結構壽命和可靠性評估方面有著很好的套用前景。