点蚀演化及腐蚀疲劳裂纹成核的能量原理

作为一种不可逆的热力学过程,腐蚀疲劳的点蚀演化受到体系应变能、表面能和电化学能的共同影响。基于能量学原理,对腐蚀疲劳点蚀演化过程中的能量问题进行探索性研究。引入双变量半椭球模型描述点蚀的演化过程,推导了点蚀形状参数在演化过程中的变化方程。基于应力强度因子准则建立点蚀向疲劳裂纹转化的临界条件,同时分析应力振幅对腐蚀疲劳裂纹成核寿命的影响。     

热端部件低温热腐蚀疲劳损伤机理、寿命模型和抗腐蚀设计方法

对于沿海地区或海洋环境中使用的航空发动机来说,由于高温、机械载荷和盐雾环境的共同作用,热腐蚀疲劳破坏是影响其热端部件服役寿命的主要因素.本文对热端部件低温热腐蚀疲劳损伤机理、寿命模型和防腐蚀设计方法进行了总结、归纳及评述,提出了未来的研究趋势与发展方向.首先介绍航空发动机热端部件的热腐蚀疲劳故障案例、损伤演化机理;其次,重点分析了低温腐蚀疲劳寿命的唯象模型、损伤力学模型、断裂力学模型以及机器学习模型;再次,对几种代表性的考虑腐蚀演化不同阶段的分段式腐蚀疲劳全寿命模型进行综述,还分析指出了腐蚀疲劳全寿命模型的发展趋势;从次,对航空发动机材料选择、零件制造、结构强度设计和外场运行维护不同阶段的抗腐蚀方法进行了综述.最后,对增材制造零部件的热腐蚀疲劳问题以及无损检测技术、人工智能等与热腐蚀疲劳研究的结合进行了展望.     

金属结构材料腐蚀疲劳寿命预测模型的研究进展

腐蚀疲劳是工业装备的主要失效模式之一.随着新技术的不断发展,航空航天、轨道交通、海洋设施等重大装备向着高可靠性、长寿命及智能化方向发展,亟需准确、高效的腐蚀疲劳寿命预测方法.论文对金属材料的腐蚀疲劳损伤机理进行了简要总结并对寿命预测模型进行了系统归纳与评述,提出未来的研究趋势与方向.具体地,首先介绍了腐蚀坑的萌生和生长、裂纹萌生及扩展的机理;其次总结了预腐蚀疲劳的断裂力学及损伤力学寿命预测模型,再次归纳了腐蚀疲劳的断裂力学、损伤力学及数据驱动寿命预测模型;进一步地,综合概括了现有寿命预测模型的优点和不足;最后,基于当前的研究指出未来可能的发展方向,一方面可以借助三维成像技术实现蚀坑向裂纹转变阶段和短裂纹扩展阶段的可视化研究,以改进现有的断裂力学模型;另一方面可以建立新型的多尺度多阶段寿命预测模型或利用新兴的数据驱动-物理融合方法实现腐蚀疲劳寿命预测.     

环境助长开裂的定量评价:建模概念的发展和应用综述

近些年来,发展和应用一些定量方法的很大的推动力一直存在着,这些方法用来说明和预测在力学载荷和环境共同作用下材料和结构对裂纹萌生和扩展的响应关系。本文在简述了这些定量方法的必要性和目标之后,对某些现行方法(特别是腐蚀疲劳、蠕变疲劳、损伤累积)及基本概念作了严格的考查,这种考查的主要目的是鉴定和建立有用的观点以进一步提高目前的技术水平。为了便于参考,本文着重介绍和讨论笔者最近发展的、用以定量评价沿晶界应力腐蚀开裂(IGSCC)的模型和概念;它们依据的前提是IGSCC损伤与静态及动态加载情况下施加的应变率有关。特别是当有效应力的概念与因开裂引起承载面积损失相结合时,可断定(连续介质)累积损伤方法目前可提供一个评价裂纹扩展响应的有希望的手段。根据这些模型及概念与(包括薄膜破坏观点和电化学在内的)看来有理的力学理论的关系,对它们的重要意义进行了简要的讨论。另外,这种建模的逻辑框架与其工程应用的关系将予以阐述清楚,然后指明今后的研究工作。     

骨科植入物金属材料生物摩擦腐蚀研究进展

骨科植入物的生物摩擦腐蚀耦合行为对人工假体使用寿命有重要影响.本文作者概述了生物摩擦腐蚀耦合行为研究的试验方案和主要分类,其中按照摩擦方式不同,可将其分为磨粒磨损腐蚀、微动腐蚀、滑动(摩擦)腐蚀、模拟器仿真(摩擦)腐蚀等类型,分析了影响该行为的主要因素,包括摩擦、电化学、材料和溶液因素等.通过调研国内外文献,综述了钛合金、钴铬钼合金和不锈钢三种主要金属材料在微动腐蚀、滑动摩擦腐蚀和模拟器摩擦腐蚀三类损伤模式下的研究现状.接着介绍了钝化膜去除、磨屑颗粒产生和金属离子释放过程,以及摩擦腐蚀耦合损伤机理.最后总结未来应在假体真实工作环境模拟和再现、有机物(如白蛋白)等人体体液中特有物质对植入物耦合行为影响和其他假体如人工椎间盘生物摩擦腐蚀等三个方面开展深入研究.     

煤柱-顶板系统协同作用的脆性失稳与非线性演化机制

把坚硬顶板视为弹性梁,把煤柱视为应变软化介质并采用W e ibu ll分布描述它的损伤本构模型,本文对坚硬顶板和煤柱组成的力学系统,用突变理论方法研究了它的演化失稳过程。通过对建立的尖点突变模型的分析发现,系统失稳主要取决于系统的刚度比k与材料的均匀性或脆性指标m值,并给出了失稳的充要条件力学判据和失稳突跳量的表达式。考虑煤柱介质的粘性或蠕变性,建立了系统演化的非线性动力学模型———物理预报模型,并给出了根据顶板沉降观测数据反演非线性动力学模型的方法和稳定性判别准则。对木城涧矿根据观测序列进行了动力学模型的反演分析,一个重要发现是:D值在临近失稳时陡增出现峰值而后急剧下降。根据材料损伤与声发射累计计数的对应关系,建立了系统演化过程中声发射率的动力学模型,并进行了声发射模拟分析和分维分析,发现m值与系统的演化路径对系统演化的声发射活动规律及分维特征有重要影响,单纯根据声发射监测和降维现象预报冲击地压是不可靠的。     

材料变形及损伤演化的微观物理动力机理

利用微观物理动力学对材料变形及损伤的演化进行了研究。探讨现有的简单应力状态及复杂应力状态的模型之间的内在联系，研究了损伤对材料变形及损伤演化的影响，得到了在考虑损伤时材料的变形及损伤的近似演化方程，该文研究表明微观物理动力学对描述材料的变形及损伤具有广泛可能性。     

桥梁结构劣化与损伤过程的多尺度分析方法及其应用

研究桥梁结构多尺度模拟和分析方法对于发展重大桥梁结构损伤检测与状态评估方法以确保其安全运营是至关重要的.本文综述和总结了作者及其课题组多年来在桥梁结构劣化与损伤过程分析领域的研究工作.包括:系统地提出了针对大型桥梁结构损伤劣化过程分析需求的结构多尺度问题,研究证实了结构损伤与劣化过程分析可以通过结构一致多尺度模拟和时空多尺度分析来实现;提出了针对大型桥梁结构多尺度模型的多因素、多目标同步模型修正技术,指出多尺度模型修正必须对各分析目标敏感的多种因素同步优化,同时交叉验证修正后模型对该级修正目标和对其它模拟目标的复现与预测能力.提出了基于结构一致多尺度模拟和结构健康监测信息进行结构劣化分析的方法并应用于两个重大桥梁工程结构的疲劳损伤分析与评估.最后,指出在此领域中还要很多问题亟待解决,尤其是如何模拟损伤从材料与结构中的细观层次的缺陷演化发展到结构局部乃至整体失效的过程,建立结构损伤演化与失效过程的跨尺度分析理论与方法.     

预制缺陷的K9玻璃层裂特性研究

层裂问题的核心内容是内部微细观损伤成核及演化规律研究. 利用激光内刻方法, 在K9玻璃样品内部预制相互贯通的初始损伤, 结合火炮加载平板实验和多点DPS测试获得样品自由面粒子速度, 以研究材料内部损伤的动态实时演化过程. 通过所获得的样品自由面粒子速度图像, 分析了层裂振荡周期、未层裂信号和层裂强度等实验现象, 为材料的动态损伤演化过程提供了一些新的认识.      

爆炸与冲击动力学若干问题研究进展

介绍了爆炸与冲击动力学数值模拟领域近几年的研究重点及主要进展.包括材料本构关系、损伤破坏、冲击相变、射流和微喷等,其中材料本构关系的发展比较系统,有几个典型的模型可以参考,不仅应用广泛,而且有实验数据进行检验和对比.损伤模型只有唯象模型,虽然有不同的物理机制,但缺少直接的实验依据.射流的工程应用比较广泛,理论研究比较缺乏.微喷研究基本停留在定性阶段.随着实验技术及测量手段的发展,相关领域取得了一些令人欣慰的进展.     

Formulation of a macroscale corrosion damage internal state variable model

A new consistent formulation coupling kinematics, thermodynamics, and kinetics with damage using an extended multiplicative decomposition of the deformation gradient that accounts for corrosion effects is proposed. The corrosion model, based upon internal state variable (ISV) theory, captures the effects of general corrosion, pit nucleation, pit growth, pit coalescence, and intergranular corrosion. The different geometrically-affected rate equations are given for each mechanism after the ISV formalism and have a thermodynamic force pair that acts as an internal stress. Pit nucleation is defined as the number density that changes as a function of time driven by the local galvanic electrochemical potential between base matrix material and second phase material. Pit growth is defined as pit surface area growth. Pit coalescence is the interaction of the pits as they grow together and is often characterized by transgranular corrosion and is mathematically constructed from Coulomb’s Law and the Maxwell stress. General corrosion is signified by thickness loss of the material and is characterized by a modified Faraday’s Law. The intergranular corrosion rate is related to the grain boundary effects so that it is characterized by the misorientation between grains. The total damage (void volume or area fraction) is the addition of the general, pitting, and intergranular corrosion. The ability of the model to predict aspects of the corrosion mechanisms and aging history effects of an engineering material are then illustrated by comparison with experimental data of an extruded AZ31 magnesium alloy.     

延性金属层裂模型比较

在平面一维弹塑性流动有限差分计算程序中加入4种延性金属层裂模型，对平板撞击层裂实验进行数值模拟。结果表明:简单最大拉伸应力模型和简单损伤累积模型能定性反映层裂的物理现象，由于忽略损伤对本构的影响，计算结果和实验有偏差，但模型要求参数较少，对于一些精度要求不是很高的工程问题，可以采用；从材料损伤断裂物理本质出发，采用微损伤统计方法得到的NAG模型和封加波损伤度函数模型，能很好地再现实测的自由面速度剖面,数值计算结果与实验吻合很好。     

损伤统计演化方程的性质和数值模拟

通过对一种含成核尺寸效应的损伤统计演化方程性质的分析和数值模拟,揭示了损伤率主要是由微损伤在二维相空间中的前沿的运动所决定的这也就是Kachanov提出的损伤率演化方程的物理基础数值结果进一步显示了含成核尺寸效应模型在损伤发展上与-维模型的区别而且,由几种形式的细观动力学算出的损伤率与损伤的关系简单,可近似拟合为宏观上封闭的形式     

应力波衰减基础上的岩石爆破损伤模型

在TCK损伤模型基础上 ,考虑岩石冲击损伤过程的声波测试衰减规律 ,构造新的岩石爆破损伤模型。将该模型装进LS DYNA3D动态有限元程序 ,通过岩石冲击损伤实验验证该程序的计算结果 ,并用新模型实现了岩石台阶爆破数值计算。     

Peridynamic modeling of pitting corrosion damage

In this paper we introduce a peridynamic model for the evolution of damage from pitting corrosion capable of capturing subsurface damage. We model the anodic reaction in corrosion processes (in which electroplating is negligible) as an effective peridynamic diffusion process in the electrolyte/solid system coupled with a phase-change mechanism that allows for autonomous evolution of the moving interface. In order to simulate creation of subsurface damage, we introduce a corrosion damage model based on a stochastic relationship that connects the concentration in the metal to the damage of peridynamic mechanical-bonds that are superposed onto diffusion-bonds. We study convergence of this formulation for diffusion-dominated stage. The model leads to formation of a subsurface damage layer, seen in experiments. We validate results against experiments on pit growth rate and polarization data for pitting corrosion. We extend the 1D model to the 2D and 3D, and introduce a new damage-dependent corrosion model to account for broken mechanical bonds that enhance the corrosion rate. This coupled model can predict the pit shape and damage profile in materials with microstructural heterogeneities, such as defects, interfaces, inclusions, and grain boundaries.     

大型土木结构多尺度模拟与损伤分析——————从材料多尺度力学到结构多尺度

从阐述重大土木工程结构安全运营面临的挑战性课题------结构多尺度力学问题开始, 对多尺度力学中的材料多尺度模拟和结构多尺度模拟的工程背景、多尺度特征和关键研究内容进行比较性评述;在此基础上, 重点介绍了对研究大型土木结构多尺度力学问题可能有参考价值的材料多尺度模拟和分析方法如周期性异质材料问题的平均化与渐进分析方法、单位分解法和多尺度重构核函数法, 以及大型土木结构多尺度模拟与分析领域的研究现状,由此引出结构多尺度力学研究中亟待解决的关键问题并加以评述;通过认识与比较结构多尺度与材料多尺度问题的共性与个性, 文中综述了在大型土木结构多尺度问题的研究进程中可供参考的理论与方法, 提出了这类结构多尺度力学问题研究的几个关键科学问题为: 结构多尺度模拟中的连接与跨越问题、多尺度模型的修正和验证、结构损伤的时间多尺度模拟与分析、结构强度和损伤失效过程中多尺度分析的跨尺度敏感性与随机性因素, 以及适用于大型土木结构多尺度模拟和计算分析的实施策略与技术.      

延性动态损伤的细观描述

对动载荷下材料的延性动态损伤的细观力学研究现状进行了评述，详细讨论了现有的几类典型的动态延性损伤的微孔生长模型。针对目前该领域工作中存在的问题，指出了今后应开展的工作方向。