铸造缺陷多尺度三维表征及其对铸件服役性能和疲劳寿命的影响研究

缩孔、缩松和夹渣等是铸造过程中的常见缺陷，此类非连续性缺陷显著地降低了铸件材料的局部机械性能，对铸件的服役性能和疲劳寿命也有着极大的影响。本研究采用多尺度数字三维重构技术，获取铸件材料中缩孔缩松及夹渣缺陷的分布特征和几何特征，通过对缺陷特征综合表征方法地研究，建立缺陷表征与材料机械性能间的关系模型。针对铸件形态及尺寸的多样性，采用实验研究和数值模拟相结合的方法，系统的研究铸造缺陷与铸件局部疲劳尺寸效应的耦合作用对铸件疲劳裂纹孕育扩展寿命的影响规律，并研究了不同载荷类型下铸件应力分布、疲劳寿命对铸造缺陷的敏感性规律，在此基础上建立集成铸造缺陷预测、服役性能及疲劳寿命分析的优化设计方法，对提高铸件设计可靠性和降低生产成本具有重要的理论意义和广泛的应用价值。

缩孔、缩松和夹渣等是铸造过程中的常见缺陷，这类非连续性缺陷显著地降低了铸件材料的局部机械性能，对铸件的服役性能和疲劳寿命也有着极大的影响。本课题采用多尺度数值三维重构技术，基于空间点素重组算法获取了铸件材料中缩孔缩松及夹渣缺陷的分布特征和几何特征，并采用材料缺陷特征空间映射算法建立了包含缺陷的非均质材料模型，在此基础上深入的研究了缺陷特征综合表征方法及其与材料机械性能间的影响规律。针对铸件形态及尺寸的多样性，采用实验研究和数值模拟相结合的方法，研究了缺陷的孔隙率、分散程度、分布位置综合作用对非均质材料的应力集中及疲劳寿命的影响，并在此基础上获得了铸造缺陷与铸件局部疲劳尺寸效应的耦合作用对铸件疲劳裂纹孕育扩展寿命的影响规律。采用正弦波、半正弦波以及矩形波的外加载荷形式，对含缺陷铸件的拉压及弯曲疲劳寿命开展了系统的研究研究，获得了载荷谱形式及载荷幅值对材料服役过程中应力集中情况及疲劳寿命的影响，并阐明了铸件内的应力分布和疲劳寿命对缺陷特征变化的敏感性规律。在此基础上建立集成铸造缺陷预测、服役性能及疲劳寿命分析的优化设计方法，对提高铸件设计可靠性和降低生产成本具有重要的理论意义和广泛的应用价值。