一种极端环境下超长寿命服役结构抗疲劳及安全调控方法

本发明涉及机械结构强度与高端装备智能制造领域，更具体的说，涉及一种极端环境下超长寿命服役结构抗疲劳及安全调控方法。

背景技术：

1、结构的疲劳破坏是工程中最典型的失效形式之一。按照循环周次可分为低周疲劳、高周疲劳和超高周疲劳。

2、近二十年来，核电装备、发动机部件、汽车承力部件、铁路轮轴与轨道、飞机、海岸结构、桥梁等现代工程装备与构件呈现低应力、长寿命服役新趋势。

3、目前，可以通过以下两种方式提升长寿命服役结构的抗疲劳性能：

4、第一种方式是直接选用高强度材料；

5、但是，材料的强度水平越高，对缺陷或环境致裂敏感性也相应的提高，即依赖提高材料强度水平以获得高疲劳抗力是不可行的，这使人们意识到“结构的断裂不仅仅是材料的问题”；

6、第二种方式是现有广泛应用的表面强化技术；

7、主要基于抗疲劳制造的理念，通过改变材料表层的微观结构、化学成分和应力状态，可以延长结构疲劳寿命，然而，这种使结构表面发生强化的技术，却使结构在长寿命条件下的裂纹更容易在内部缺陷处萌生，表面强化技术抗疲劳的结果，是使结构最终呈现出超高周疲劳特性,使人们意识到“表面强并不能有效防断”。

8、因此，目前迫切需要发展新的方法及工艺技术，对超长寿命服役结构的疲劳断裂进行安全调控。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种极端环境下超长寿命服役结构抗疲劳及安全调控方法，解决现有技术对超长寿命服役结构的疲劳破坏难以进行有效防断的问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供了一种极端环境下超长寿命服役结构抗疲劳及安全调控方法，包括以下步骤：

3、步骤s1、判断服役结构的长寿命阶段疲劳断裂模式，如果为内部缺陷致裂模式，则进入步骤s2；

4、步骤s2、根据缺陷-基体的交互作用原理，获得服役结构空气环境下超高周疲劳内部缺陷致裂机理；

5、步骤s3、考虑环境因素，明晰服役条件下超高周疲劳内部缺陷-基体-环境交互作用机理并获取环境削弱系数；

6、步骤s4、综合考虑环境因素，建立服役条件下的缺陷-载荷-寿命关联的超高周疲劳寿命预测理论模型；

7、步骤s5、根据超高周疲劳寿命预测理论模型，基于设计/制造一体化理念对材料冶金与制造工艺参数、结构强度设计参数、结构服役应力与环境参数进行调控。

8、在一实施例中，所述步骤s1，进一步包括以下步骤：

9、判断服役结构的长寿命阶段疲劳断裂模式，如果为表面缺陷致裂模式，则根据传统抗疲劳理论模型进行抗疲劳及安全调控。

10、在一实施例中，所述传统抗疲劳理论模型包括低周疲劳manson-coffin模型和高周疲劳basquin模型。

11、在一实施例中，所述步骤s2的基体-缺陷交互作用原理为循环载荷下缺陷周围局部塑性导致基体微观组织损伤。

12、在一实施例中，所述步骤s3的缺陷-基体-环境的交互作用机理为循环载荷下缺陷周围局部塑性、化学元素与温度耦合作用导致基体微观组织损伤。

13、在一实施例中，所述步骤s3中的环境削弱系数h对应的表达式为：

14、

15、σ(environment)为服役条件下的疲劳强度；

16、σ(air)为空气环境下的疲劳强度；

17、n(environment)为服役条件下的疲劳寿命；

18、n(air)为空气环境下的疲劳寿命。

19、在一实施例中，所述步骤s4的超高周疲劳寿命预测理论模型，对应的表达式为：

20、{σa(area)1/12}αnf＝c

21、z＝σa(area)1/6dβ；

22、d＝(d-dinc)/d；

23、其中，σa为疲劳应力幅；

24、area为微缺陷投影面积；

25、d为缺陷的相对位置；

26、α，c均为拟合常数；

27、nf为疲劳寿命；

28、β为材料常数；

29、d为疲劳试棒直径；

30、dinc为缺陷的中心点到试棒外侧表面的最小距离；

31、z为疲劳寿命控制参量。

32、在一实施例中，所述步骤s5中根据超高周疲劳寿命预测理论模型，进行材料冶金与制造工艺参数调控，进一步包括以下步骤：

33、步骤s511、根据超高周疲劳寿命预测理论模型，调控冶金与制作工艺，进行材料设计和材料制造；

34、步骤s512、对材料进行疲劳测试，对测试数据进行评估；

35、步骤s513、将评估结果与预期指标进行比较，如果评估结果满足预期指标要求，则当前材料为超长寿命抗疲劳材料，流程结束，如果评估结果不满足预期指标要求，则对冶金与制造工艺参数进行调控后重新进入步骤s511，直至评估结果满足预期指标要求。

36、在一实施例中，所述步骤s5中根据超高周疲劳寿命预测理论模型，进行结构强度设计参数调控，进一步包括以下步骤：

37、步骤s521、根据服役结构的长寿命阶段疲劳断裂模式进行结构疲劳设计和材料疲劳设计，获得结构强度设计参数；

38、步骤s522、基于超高周疲劳寿命预测理论模型对结构强度设计参数进行验证校核；

39、步骤s523、将验证校核结果与设计要求进行比较，如果验证校核结果满足设计要求，则当前结构强度设计参数为超长寿命抗疲劳设计参数，流程结束，如果验证校核结果不满足设计要求，则重新进入步骤s521，对结构强度设计参数进行调控，直至验证校核结果满足设计要求。

40、在一实施例中，所述步骤s5中根据超高周疲劳寿命预测理论模型，进行结构服役应力与环境参数调控，进一步包括以下步骤：

41、步骤s531、将超高周疲劳寿命预测理论模型结合结构强度设计参数建立数字孪生模型；

42、步骤s532、将数字孪生模型进行安全仿真分析；

43、步骤s533、如果安全仿真输出结果为安全，则当前服役应力与环境参数符合要求，流程结束，如果安全仿真输出结果为不安全，则对服役应力与环境参数进行调控，重新进入步骤s531，直至安全仿真输出结果为安全。

44、本发明提出的一种超长寿命服役结构抗疲劳及安全调控方法，将材料冶金、结构设计、制造工艺结合起来，统筹考虑服役结构的超高周疲劳失效问题，在抗疲劳设计时候同步考虑设计与制造的耦合效应，可以增强设计与制造的协同性，缩短设计与制造流程，有效提高材料与结构抗疲劳的能力，进而保障服役安全运维。

技术特征：

1.一种极端环境下超长寿命服役结构抗疲劳及安全调控方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的极端环境下超长寿命服役结构抗疲劳及安全调控方法，其特征在于，所述步骤s1，进一步包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的极端环境下超长寿命服役结构抗疲劳及安全调控方法，其特征在于，所述传统抗疲劳理论模型包括低周疲劳manson-coffin模型和高周疲劳basquin模型。

4.根据权利要求1所述的极端环境下超长寿命服役结构抗疲劳及安全调控方法，其特征在于，所述步骤s2的基体-缺陷交互作用原理为循环载荷下缺陷周围局部塑性导致基体微观组织损伤。

5.根据权利要求1所述的极端环境下超长寿命服役结构抗疲劳及安全调控方法，其特征在于，所述步骤s3的缺陷-基体-环境的交互作用机理为循环载荷下缺陷周围局部塑性、化学元素与温度耦合作用导致基体微观组织损伤。

6.根据权利要求1所述的极端环境下超长寿命服役结构抗疲劳及安全调控方法，其特征在于，所述步骤s3中的环境削弱系数h对应的表达式为：或σ(environment)为服役条件下的疲劳强度；

7.根据权利要求1所述的极端环境下超长寿命服役结构抗疲劳及安全调控方法，其特征在于，所述步骤s4的超高周疲劳寿命预测理论模型，对应的表达式为：

8.根据权利要求1所述的极端环境下超长寿命服役结构抗疲劳及安全调控方法，其特征在于，所述步骤s5中根据超高周疲劳寿命预测理论模型，进行材料冶金与制造工艺参数调控，进一步包括以下步骤：

9.根据权利要求1所述的极端环境下超长寿命服役结构抗疲劳及安全调控方法，其特征在于，所述步骤s5中根据超高周疲劳寿命预测理论模型，进行结构强度设计参数调控，进一步包括以下步骤：

10.根据权利要求1所述的极端环境下超长寿命服役结构抗疲劳及安全调控方法，其特征在于，所述步骤s5中根据超高周疲劳寿命预测理论模型，进行结构服役应力与环境参数调控，进一步包括以下步骤：

技术总结
本发明涉及机械结构强度和高端装备智能制造领域，更具体的说，涉及一种极端环境下超长寿命服役结构抗疲劳及安全调控方法。本方法包括：判断服役结构的长寿命阶段疲劳断裂模式；根据缺陷‑基体的交互作用原理，获得服役结构空气环境下超高周疲劳内部缺陷致裂机理；考虑环境因素，明晰服役条件下超高周疲劳内部缺陷‑基体‑环境交互作用机理并获取环境削弱系数；建立服役条件下的缺陷‑载荷‑寿命关联的超高周疲劳寿命预测理论模型；基于设计/制造一体化理念对材料冶金与制造工艺参数、结构强度设计参数、结构服役应力与环境参数进行调控。本发明可以增强设计与制造的协同性，缩短设计与制造流程，有效提高材料与结构抗疲劳能力，保障结构长周期服役安全。

技术研发人员：朱明亮,轩福贞,朱刚
受保护的技术使用者：华东理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16