【畢業(yè)學(xué)位論文】疲勞耗散能及其在疲勞性能快速預(yù)測(cè)中的應(yīng)用研究-疲勞與可靠性設(shè)計(jì)博士論文

學(xué)校代號(hào) 10532 學(xué) 號(hào) 分 類 號(hào) 密 級(jí) 公開 博 士學(xué)位論文 疲勞 耗散能 及其在疲勞性能 快速 預(yù)測(cè) 中的應(yīng)用 研究 學(xué)位申請(qǐng)人姓名 李源 培 養(yǎng) 單 位 機(jī)械與運(yùn)載 工程學(xué)院 導(dǎo)師姓名及職稱 韓旭 教授 學(xué) 科 專 業(yè) 機(jī)械 工程 研 究 方 向 疲勞與可靠性 設(shè)計(jì) 論文提交日 期 2013 年 09 月 20 日 學(xué)校代號(hào) ： 10532 學(xué) 號(hào) ： 級(jí) ： 公開 湖南大學(xué) 博 士學(xué)位論文 疲勞 耗散能 及其在疲勞性能 快速 預(yù)測(cè) 中的應(yīng)用 研究 學(xué)位申請(qǐng)人姓名： 李源 導(dǎo)師姓名及職稱： 韓旭 教授 培養(yǎng)單 位 ： 機(jī)械與運(yùn)載 工程學(xué)院 專業(yè)名 稱 ： 機(jī)械 工程 論文提交日 期 ： 2013 年 09 月 20 日 論文答辯日 期 ： 2013 年 11 月 26 日 答辯委員會(huì)主席： 龔金科 教授 on to of I (2003 (2005 A in of in u 2013 疲勞耗散能及其在疲勞性能快速預(yù)測(cè)中的應(yīng)用研究 要 通過(guò)傳統(tǒng)的疲勞試驗(yàn)方法得到準(zhǔn) 確的高周疲勞參數(shù)，往往耗費(fèi)大量的費(fèi)用和時(shí)間 。若干年來(lái)， 探討縮短試驗(yàn)時(shí)間、減少試驗(yàn)成本的快速預(yù)測(cè)高周疲勞性能 的理論和實(shí)驗(yàn)方法，一直是 研究人員 關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。 能量方法是 快速預(yù)測(cè)疲勞 性能 的一種重要手段 ， 但 現(xiàn)有方法 在 高周疲勞耗散能 準(zhǔn)確計(jì)算、 宏觀耗散能與內(nèi)部 微結(jié)構(gòu)演化 關(guān)系及儲(chǔ)能測(cè)量 等 方面仍存在很多瓶頸和難點(diǎn)問(wèn)題 。 為此，本文力求 在基于耗散能的快速預(yù)測(cè)金屬疲勞性能方 法 上 做出一些較有價(jià)值的嘗試和探索。 首先 針對(duì)高周疲勞過(guò)程中的微熱變化，提出一種 疲勞 耗散能計(jì)算 方法；其次，研究 疲勞過(guò)程中 宏觀 耗散能 與內(nèi)部 微 結(jié)構(gòu) 演化 關(guān)系；最后 ，構(gòu)建 基于穩(wěn)態(tài) 耗散能 和初始 瞬態(tài)耗散能 的疲勞性能 快速預(yù)測(cè) 方法 。 主要 研究工作 如下 ： （ 1） 提出一種 基于 紅外熱像 技術(shù) 的疲勞 耗散能計(jì)算方法。在熱力學(xué)框架下，基于薄板假設(shè)，建立疲勞載荷下的材料的熱傳導(dǎo)方程。運(yùn)用非接觸式的紅外熱像技術(shù)和電液伺服疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)，構(gòu)建一套觀測(cè)疲勞微熱變化的紅外疲勞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過(guò)設(shè)置參考試樣和隔熱裝置以降低環(huán)境噪聲的影響，分離出導(dǎo)致局部溫升變化的耗散源、熱彈性源和熱輻射源，并推導(dǎo)出單循環(huán) 疲勞 耗散能計(jì)算公式及檢測(cè)門限，最后通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證耗散能計(jì)算方法的可行性和準(zhǔn)確性 。 （ 2） 通過(guò)不同載荷歷程下的 疲勞 耗散能 實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了宏觀 疲勞 耗散能可作為表征材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)演化的標(biāo)識(shí) 。 基于 疲勞過(guò)程中的能量平衡方程，推導(dǎo)出初始瞬態(tài)和穩(wěn)定能量耗散階段 疲勞 耗散能、塑性應(yīng)變能和儲(chǔ)能的理論計(jì)算方法，分析彈性遲滯區(qū)間內(nèi)耗散 能和塑性應(yīng)變能的變化規(guī)律。通過(guò)全面對(duì)比分析拉伸損傷 和疲勞損傷前后耗散能變化規(guī)律 ，可知宏觀 疲勞 耗散能與內(nèi)部微結(jié)構(gòu)演化密切相關(guān)，可作為疲勞損傷評(píng)估的一個(gè)敏感指標(biāo) ，并應(yīng)用于 等變幅疲勞 損傷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中 。 （ 3） 提出 一種 基于穩(wěn)態(tài)耗散能的疲勞性能參數(shù)快速預(yù)測(cè)方法。 當(dāng)經(jīng)歷一定的疲勞壽命循環(huán)次數(shù)后，材料達(dá)到穩(wěn)態(tài)能量耗散階段后，內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu) 演化達(dá)到準(zhǔn)平衡態(tài)過(guò)程， 單循環(huán)疲勞耗散能 基本保持恒定。 通過(guò) 擬合對(duì)應(yīng)不同疲勞 載荷 水平的穩(wěn)態(tài)耗散能 ，提出 預(yù)測(cè)疲勞極限 的 “單線法 ”和 “雙線法 ”。 同時(shí)， 擬合出 疲勞 耗散能 應(yīng)力 耗散能 推導(dǎo)出基于 穩(wěn)態(tài) 耗散能的 積損傷模型，將其用于預(yù)測(cè)剩余壽命預(yù)測(cè)和載荷次序效應(yīng)研究中，所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致，具有較好的精度。 （ 4） 研究 基于 初始 瞬態(tài)耗散能 的高周超高周疲勞性能參數(shù)預(yù)測(cè)方法。在疲勞 初始 瞬態(tài)能量耗散階段， 耗散能迅速增加并逐漸穩(wěn)定 ，對(duì)應(yīng)于材料的初始 微塑性效應(yīng)。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)不同疲勞載荷作用下初始瞬態(tài)耗散能變化規(guī)律，研究基于初始累博士學(xué)位論文 塑性耗散能的疲勞性能參數(shù)預(yù)測(cè)方法，所得疲勞極限與穩(wěn)態(tài)耗散能方法及實(shí)驗(yàn)確定的疲勞極限相近；擬合的 初始塑性耗散能 壽命和穩(wěn)態(tài)耗散能 后， 基于安定理論和 勞準(zhǔn)則，探索基于初始累積耗散能的超高周疲勞極限預(yù)測(cè)方法，具有一定的合理性。 關(guān)鍵詞： 疲勞耗散能 ； 熱力學(xué)理論； 紅外熱像技術(shù) ； 微結(jié)構(gòu)演化；金屬 疲勞性能 ；快速預(yù)測(cè) 方法 疲勞耗散能及其在疲勞性能快速預(yù)測(cè)中的應(yīng)用研究 he of to of is an of in as of To to to in of a in in of on of as (1) A on is In a on An to In by A by of by a (2) be as a of on in of 士學(xué)位論文 V in a of is it be as a to by (3) on a a of a a “of by of in of A s to to (4) A to at of of at A on to to by to on of a of on 勞耗散能及其在疲勞性能快速預(yù)測(cè)中的應(yīng)用研究 錄 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明和學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 . I 摘 要 . . 1 章 緒論 . 1 研究背景及意義 . 1 疲勞過(guò)程中的能量耗散機(jī)理 . 3 疲勞耗散能在疲勞性能預(yù)測(cè)中的應(yīng)用研究概述 . 7 目前存在的主要問(wèn)題 . 15 主要研究?jī)?nèi)容 . 16 第 2 章 基于紅外熱像 技術(shù) 的疲勞耗散能計(jì)算方法 . 18 引言 . 18 疲勞熱傳導(dǎo)基本模型 . 18 與疲勞相關(guān)的熱力學(xué)基本定律 . 18 疲勞熱傳導(dǎo)方程 . 21 熱彈性效應(yīng) . 22 疲勞耗散能算法 . 24 紅外疲勞實(shí)驗(yàn)平臺(tái) . 24 疲勞載荷下的熱傳導(dǎo)方程 . 26 熱傳導(dǎo)方程簡(jiǎn)化 . 28 熱彈性源和耗散源求解 . 30 耗散能 計(jì)算 . 31 疲勞 耗 散能計(jì)算實(shí)例 . 33 實(shí)驗(yàn)材料及方法 . 33 熱力學(xué)常數(shù)計(jì)算 . 34 檢測(cè)門限計(jì)算 . 35 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 . 37 本章小結(jié) . 39 第 3 章 疲勞過(guò)程中耗散能與微結(jié)構(gòu)演化關(guān)系研究 . 40 引言 . 40 疲勞過(guò)程中耗散能變化規(guī)律 . 40 耗散能的理論計(jì)算 . 40 博士學(xué)位論文 . 疲勞實(shí)驗(yàn)方法 . 42 結(jié)果與討論 . 45 不同微結(jié)構(gòu)演化過(guò)程中耗散能變化規(guī)律 . 51 拉伸損傷實(shí)驗(yàn) . 51 疲勞損傷實(shí)驗(yàn) . 52 疲勞 耗散能在疲勞損傷監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用 . 56 等幅疲勞實(shí)驗(yàn) . 56 變幅疲勞實(shí)驗(yàn) . 57 本章小結(jié) . 59 第 4 章 基于穩(wěn)態(tài)耗散能的疲勞性能快速預(yù)測(cè)方法研究 . 60 引言 . 60 穩(wěn)態(tài)耗散能變化規(guī)律 . 60 穩(wěn)態(tài)耗散能計(jì)算 . 60 實(shí)驗(yàn)方法 . 61 結(jié)果與討論 . 63 疲勞參數(shù)預(yù)測(cè)方法及模型 . 65 快速預(yù)測(cè)疲勞極限 . 65 基于穩(wěn)態(tài)耗散能的耗散能 . 66 基于 疲勞 耗散能的 積損傷模型 . 68 疲勞參數(shù)預(yù)測(cè)模型的應(yīng)用 . 70 剩余壽命預(yù)測(cè) . 70 載荷次序效應(yīng)研究 . 72 本章小結(jié) . 75 第 5 章 初始瞬態(tài)耗散能在疲勞性能預(yù)測(cè)中的應(yīng)用 . 76 引言 . 76 初始瞬態(tài)耗散能變化規(guī)律 . 76 初始塑性耗散能計(jì)算 . 76 實(shí)驗(yàn)方法 . 77 結(jié)果分析 . 78 疲勞參數(shù)預(yù)測(cè)方法及模型 . 80 疲勞極限快速預(yù)測(cè) . 80 塑性耗散能 . 81 超高周安定疲勞極限預(yù)測(cè)方法 . 82 安定疲勞極限定義 . 82 實(shí)驗(yàn)方法 . 85 疲勞耗散能及其在疲勞性能快速預(yù)測(cè)中的應(yīng)用研究 . 結(jié)果分析 . 86 本章小結(jié) . 88 結(jié)論與展望 . 90 參考文獻(xiàn) . 93 致 謝 . 106 附錄 A （ 攻讀學(xué)位期間所發(fā)表的學(xué)術(shù)論文目錄 ） . 107 附錄 B （ 攻讀學(xué)位期間所參加的科研項(xiàng)目 ） . 108 附錄 C （ 疲勞載荷下耗散能變化規(guī)律 ） . 109 博士學(xué)位論文 圖索引 圖 向彎曲疲勞載荷下斷口 . 4 圖 心旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞載荷下斷口 . 4 圖 同材料變形行為下循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變遲滯回線圖 . 6 圖 料試樣的局部溫度變化 . 7 圖 環(huán)扭轉(zhuǎn)下鋁管試樣溫升 . 8 圖 同應(yīng)力水平下的局部溫升 . 8 圖 1.7 確定疲勞極限 . 9 圖 確定疲勞極限 . 9 圖 限能量 確定方法 . 10 圖 確定 曲線 . 10 圖 驗(yàn)方法 . 11 圖 驗(yàn)方法 . 11 圖 驗(yàn)方法 . 13 圖 驗(yàn)方法 . 13 圖 樣表面溫度變化（ 相鋼， 50 . 23 圖 外疲勞實(shí)驗(yàn)平臺(tái) . 25 圖 熱裝置與參考試樣 . 26 圖 個(gè)循環(huán)內(nèi) 疲勞 耗散能計(jì)算方法 . 32 圖 勞試樣的幾何形狀 . 33 圖 16L 不銹鋼與 相鋼的拉伸試驗(yàn)曲線 . 34 圖 間常數(shù)的測(cè)定方法（ 相鋼） . 34 圖 實(shí) 疲勞 耗散能與實(shí)驗(yàn) 疲勞 耗散能誤差 . 35 圖 循環(huán)疲勞耗散能 噪聲分