基于固有耗散的高周疲劳性能评估与热力响应分析研究

论文摘要

疲劳性能是工程材料最重要的力学性能之一。然而由于材料种类的多样性和疲劳问题本身的复杂性,人们至今尚未完全掌握材料的疲劳破坏规律以及疲劳损伤的物理机理,这已成为制约现代工业进一步发展的最大瓶颈之一。尤其是基于传统实验方法的材料疲劳性能评估,往往需要利用大量试件进行旷日持久的疲劳破坏试验,这不仅大幅增加了制造成本,而且极大限制了产品的研发速度和生产效率的提高。从本质上而言,材料疲劳失效是其微观组织结构在循环荷载作用下不断向着断裂方向进行演化的结果,并且该演化过程是一个伴随着能量耗散的不可逆热力学过程。实验表明,疲劳过程中绝大部分耗散的能量以热能的形式被释放,从而引起材料温度的变化。通过对循环荷载作用下受载试件的热力响应进行分析,获取与疲劳损伤演化有关的数据信息,再结合本构理论和数值模型,对材料的疲劳性能进行分析和评估,并进一步揭示疲劳损伤演化的微观物理机理,是开展疲劳研究的一条重要思路。正因如此,基于固有耗散的材料疲劳性能快速评估与循环荷载作用下的热力响应分析,已逐渐成为疲劳研究领域中最为活跃和最具潜力的研究方向之一。本课题研究的主要目的在于进一步发展和完善疲劳固有耗散理论,以及相关的实验技术和数值方法,并将其应用于金属材料的高周疲劳性能快速预测和橡胶材料的疲劳热力响应分析中,从而进一步揭示两种材料的疲劳损伤机理。本文的主要工作如下:1)建立了一套针对金属材料高周疲劳的固有耗散测算方法。在连续介质热力学和内变量理论的基本框架下,对材料在循环荷载作用下的热力学状态方程进行了推导和分析,重点研究了疲劳自热温升机制,以及薄板试件在不同维度下的热传导问题。基于对试件表面温升的一维双指数回归,构建了高周疲劳固有耗散计算模型,并根据实验数据对计算模型的有效性和可行性进行了分析和讨论。2)提出了一种快速评估金属材料疲劳性能的能量方法。该能量方法以固有耗散作为疲劳损伤指标;在剔除了固有耗散中由内摩擦效应引起的部分之后,可以得到与材料微塑性变形相关的部分;当这部分固有耗散累积达到一个临界值时,材料就发生疲劳破坏。利用该能量方法,对FV520B钢的疲劳性能进行了实验研究,并探究了固有耗散的荷载依赖性。通过与传统疲劳实验数据进行对比分析,证明该能量方法能够达到较高的预测精度,并且可以极大地缩短疲劳实验周期,降低实验成本。3)构建了一套金属材料的疲劳固有耗散模型。该模型通过引入相应的内变量,考虑了两类热力学不可逆的微结构运动方式,即引起材料滞弹性的可恢复微结构运动和引起材料疲劳损伤的不可恢复微结构运动。利用位错-点缺陷作用模型,对疲劳过程中出现的各类能量耗散机制进行了定性定量分析。另外,实验研究了预塑性应变对疲劳固有耗散的影响,并提出了具有统一性的经验公式。4)实验研究了炭黑填充橡胶材料在循环加载过程中的粘弹性热力响应及其演化情况,重点分析了预拉伸和炭黑填充量对疲劳应力软化、应力迟滞和自热温升的影响。理论分析了与滞回曲线对应的机械能耗散和与自热温升对应的固有耗散之间的关系,并与实验结果进行了联系。通过建立橡胶链-炭黑簇作用模型,探究了炭黑填充橡胶材料在循环加载过程中的能量耗散机制和疲劳损伤机理。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号表
• 1 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•   1.2 疲劳研究概述
•     1.2.1 疲劳性能
•     1.2.2 金属疲劳破坏机理
•     1.2.3 橡胶疲劳破坏机理
•   1.3 疲劳固有耗散研究
•     1.3.1 红外热像法
•     1.3.2 疲劳固有耗散
•   1.4 本文的研究思路和主要内容
• 2 疲劳固有耗散的理论基础
•   2.1 引言
•   2.2 连续介质热力学
•     2.2.1 热力学第一定律
•     2.2.2 热力学第二定律
•     2.2.3 热力学状态函数
•   2.3 内变量理论
•     2.3.1 内变量
•     2.3.2 伴随平衡态
•     2.3.3 非平衡热力学
•     2.3.4 热力学极限定理
•   2.4 本章小结
• 3 疲劳固有耗散的测算方法研究
•   3.1 引言
•   3.2 疲劳自热温升
•     3.2.1 热力学状态方程
•     3.2.2 温度耦合方程及其简化
•     3.2.3 薄板试件的热传导分析
•     3.2.4 疲劳温度测量
•   3.3 金属材料的固有耗散计算模型
•     3.3.1 实验数据分析
•     3.3.2 疲劳温升模型
•     3.3.3 固有耗散计算模型
•   3.4 橡胶材料的固有耗散计算模型
•     3.4.1 实验数据分析
•     3.4.2 固有耗散计算模型
•   3.5 本章小结
• 4 金属材料的疲劳性能快速预测与损伤机理分析
•   4.1 引言
•   4.2 疲劳参数快速预测的能量方法
•     4.2.1 理论分析与模型构建
•     4.2.2 实验方法
•     4.2.3 结果与讨论
•     4.2.4 方法总结
•   4.3 疲劳固有耗散的荷载依赖性研究
•     4.3.1 研究方案
•     4.3.2 结果与讨论
•   4.4 疲劳固有耗散模型
•     4.4.1 理论模型构建
•     4.4.2 实验研究方法
•     4.4.3 模型验证与分析
•   4.5 本章小结
• 5 橡胶材料的疲劳热力响应分析与损伤机理探究
•   5.1 引言
•   5.2 理论分析
•     5.2.1 高分子网络重排
•     5.2.2 能量耗散
•   5.3 实验研究
•     5.3.1 实验材料
•     5.3.2 试件制备
•     5.3.3 实验方法
•   5.4 结果与讨论
•     5.4.1 大应变粘弹性松弛
•     5.4.2 疲劳引起的应力软化
•     5.4.3 能量耗散
•   5.5 本章小结
• 6 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 创新点
•   6.3 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间科研项目及科研成果
• 致谢
• 作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 郭强

导师: 郭杏林

关键词: 固有耗散,红外热像法,疲劳性能评估,热力响应分析,损伤机理

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学

单位: 大连理工大学

基金: 国家自然科学基金“基于能量耗散与结构损伤的金属疲劳机理研究与工程应用(编号:11072045)”,国家基础重点研究发展计划“多机组同步稳定与寿命均衡设计原理(编号:2011CB706504)”,大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室自主研究课题“基于热像法测定金属疲劳特性的实验与机理研究(编号:S08204)”

分类号: O346.2

总页数: 143

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