疲劳动态损伤下耗散能模型参量的计算反求方法

Fatigue dissipated energy method can be used to real-time monitor fatigue damage evolution, rapidly determine fatigue parameters of metal material and study the fatigue failure mechanism, which is a hot research point in fatigue field at present. The effectiveness of this method depends on the computational accuracy of fatigue dissipated energy, but fatigue is a process of accumulating damage, which leads to the dynamic change of thermal physical parameters such as conductivity coefficient, heat transfer coefficient and specific heat capacity, and the bottleneck problem in calculating dissipated energy is to accurately identify those key parameters. To this end, this project proposes a computational inverse method for multi-parameter identification during dynamic fatigue damage process, to obtain reliable thermal physical parameters and achieve accurate calculation of fatigue dissipated energy. This project will focus the research on the following three key issues: experimental technique and numerical modeling method of temperature-strain full-field coupling, analysis of relativity and sensitivity of dissipated energy and thermal physical parameters with dynamic fatigue damage, and multi-parameter computational inverse technique based on improved regularization method and self-adaptive agent, then conduct system integration and experimental verification on the relevant models and computational techniques. The work of this project will bring new perspectives on the accurate quantitative analysis of dissipated energy during fatigue dynamic damage, and provide theoretical and technological support for the engineering application of the fatigue dissipated energy method.

疲劳耗散能方法能够实时监测材料疲劳损伤演化过程，快速预测疲劳性能参数和研究疲劳失效机理，是目前疲劳领域的研究热点。该方法的有效性取决于疲劳耗散能计算精度，而疲劳是损伤不断累积的过程，这导致材料热传导系数、换热系数、比热容等热物性参量动态变化，准确识别这些关键参量是现有疲劳耗散能计算的瓶颈问题。为此，本项目提出一种疲劳动态损伤下多参量组合识别的计算反求方法，实时获取可靠的热物性参量，实现疲劳耗散能的精确计算。本项目主要研究温度-应变全场耦合的实验技术和数值建模方法、疲劳动态损伤下耗散能与热物性参量间的相关性和敏感度分析、基于改进正则化方法和自适应代理模型的多参量反求算法三项关键技术，并对相关模型和算法进行系统集成和实验验证。本项目的完成将为材料疲劳动态损伤下耗散能的精确定量分析提供一条新思路，为疲劳耗散能方法的工程应用提供理论和技术支撑。

耗散能方法是国际上近期出现的疲劳行为研究的新方法，也是目前损伤研究领域的研究热点，其有效性取决于耗散能的精确定量分析。但疲劳损伤是一个不可逆热力学过程，不可逆宏观或局部微观塑性变形引起材料内部微观结构出现损伤，这导致耗散能参量发生动态变化，难以通过实验精确测量，限制了疲劳耗散能方法的推广应用。开展耗散能模型参量准确识别方法的研究，可实现疲劳动态损伤下疲劳耗散能的精确定量分析，具有重要的学术和工程价值。为此，本项目主要研究疲劳动态损伤下耗散能参量的准确计算方法及其应用。项目组紧紧围绕研究目标和要点，按照时间表有计划有系统地展开研究，全面完成了疲劳动态损伤下耗散能的定量分析、疲劳耗散能计算模型的反问题建模等内容，主要研究进展包括：（1）针对耗散能定量分析的问题，提出了基于全场测量实验技术的耗散能计算方法；（2）基于温度-应变场耦合测量实验系统，研究了材料拉伸及疲劳动态损伤下耗散能、应变能变化特征和规律，总结了金属材料能量耗散机制的不同表现形式及一般性规律；（3）针对疲劳损伤周期长、温度场测量信息实测的准确性和数据量的充分性等问题，通过多次反复的疲劳加载实验，研究了温度场测量数据和待反求热物性参量间的敏感性问题。然而，研究表明疲劳过程中材料热传导系数、换热系数、比热容等热物性参数对耗散能变化并不敏感，难以建立用于多参量识别的热物性参量反问题模型，仅完成了基于改进正则化方法和自适应代理模型的多参量反求技术的可行性分析。基于此，将研究计划适当调整为拉伸损伤下铝镁合金PLC效应的热耗散及微观结构演化的研究，主要研究进展包括：（1）提出了一种拉伸动态损伤下合金材料全场热源计算方法，系统研究了不同拉伸应变率下PLC效应热耗散变化规律；（2）基于SEM的原位拉伸实验，全面分析了铝镁合金拉伸损伤全过程的表面微结构演化，并与局部热耗散效应进行了对比分析。基于耗散能的定量分析，全面研究了材料在拉伸及疲劳动态损伤下能量耗散特征，在宏观疲劳行为与微观结构损伤演化之间搭建了桥梁，为更加深刻地揭示结构破坏失效机理提供了重要手段。项目执行期间，共发表学术论文8篇，其中SCI/EI检索论文4篇，获得软件著作权1项、专利1项，出版译著1部，参加国际国内会议25人次，培养研究生4人。