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环境腐蚀及其应力耦合的损伤力学方法与结构性能预测研究

毋玲  
【摘要】: 环境腐蚀及其与应力耦合的损伤力学研究对于探讨飞机机体金属结构使用过程中结构性能的劣化演变规律以及定量评估机体结构的日历年限寿命有着重要的理论研究与工程应用价值。本文针对飞机结构典型铝合金的点蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳的三种主要损伤形式,应用损伤力学的理论观点与分析方法,在深入研究环境因素的损伤机理基础上,分析建立了不同环境腐蚀及其应力耦合的定量损伤力学模型,开展了典型铝合金的预腐蚀试验研究工作,对理论分析模型的合理性及其预测能力进行了深入研究。论文的主要研究工作及其创新点概括如下: 1、基于损伤热力学理论基础,研究探讨了电化学能在内的损伤热力学关系。通过引入腐蚀损伤过程中的能量耗散,建立了力学因素和环境耦合作用下的损伤耗散关系,为开展环境腐蚀及其应力耦合的损伤力学研究完善了理论框架; 2、对有/无加载两种高强度铝合金试验件进行盐雾加速腐蚀试验,研究了腐蚀对材料性能的劣化作用,以及载荷与环境对材料损伤的耦合加速作用; 3、依据预腐蚀试验工作及其数据,研究建立了点蚀孔隙的细观损伤力学演化规律,并提出了Gurson模型中新的孔隙率扩展模型。在此基础上,数值计算了弹性模量、屈服与强度极限随腐蚀时间的演化规律,与试验数据有良好的一致性。 4、深入分析了点蚀坑向应力腐蚀裂纹转化的损伤力学判据,在理论上明确了应力腐蚀起始寿命的终点。在此基础上,研究建立了应力腐蚀裂纹起始寿命计算的两个损伤力学模型。针对所建立的两个分析模型,应用一定的试验数据验证了模型分析的合理性。在应力腐蚀裂纹扩展方面,分析比较了阳极溶解型裂纹扩展模型和断裂力学裂纹扩展模型。根据这两种模型对应力腐蚀裂纹扩展速率描述的特点,提出了在裂纹扩展的不同阶段使用不同的模型描述的观点。 5、在深入研究机械疲劳损伤力学模型的基础上,提出了腐蚀疲劳裂纹起始寿命的损伤力学模型,使之更加符合腐蚀疲劳过程中损伤的非线性累积规律。分析了腐蚀疲劳裂纹扩展理论模型在工程应用中的难点,进而,对腐蚀疲劳裂纹扩展速率工程计算方法及其优点进行了探讨,并通过算例验证了工程模型的合理性和通用性。 论文还对腐蚀疲劳裂纹扩展中的短裂纹问题以及飞机结构日历年限寿命估算进行了探讨。最终结合实际飞机结构中存在的损伤过程,指出了本文所提出的损伤理论模型在结构日历寿命评估中的应用方向。


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