题目：构件疲劳寿命预估的多变量损伤力学方法

本文从连续损伤力学方法出发，对金属材料及其结构件的疲劳寿命预估方法进行了比较全面的探讨。全文共涉及三个方面的内容：第一部分为单变量损伤演化方程的研究，包括整式形式和分式形式的损伤演化方程。首先，根据应变等效假设得到计及损伤耦合效应的单损伤变量情况下的本构关系，根据热力学原理，建立损伤驱动力表达式和损伤演化方程；其次，利用分离变量方法和守恒积分原理对损伤演化方程积分，得到构件在重复载荷作用下的应力与寿命的关系表达式，并根据标准试件的疲劳试验数据确定损伤演化方程中的材料参数；第三，利用APDL语言对ANSYS软件进行二次开发，建立了基于ANSYS软件的损伤力学—有限元数值解法；最后，利用损伤力学闭合解法和数值解法对直升机主桨变距拉杆和无扩口管路连接件进行疲劳寿命预估，将前者的计算结果与试验结果进行对比，结果吻合较好。进一步，以损伤力学理论与方法揭示了由疲劳损伤演化引起的结构共振机制。在整式形式损伤演化方程的基础上，建立了预估谐振载荷作用下构件疲劳寿命与共振寿命的损伤力学－有限元数值解法，对谐振载荷作用下典型构件进行分析，给出了疲劳裂纹萌生和共振两种失效模式与载荷频率之间的关系。第二部分为双变量疲劳损伤模型的研究。首先，引入描述双变量损伤条件下的本构关系，进而以热力学原理为基础，引入损伤驱动力，建立损伤演化准则；其次，构建了一般情况下的时间型损伤演化方程和循环型损伤演化方程；第三，利用分离变量方法和守恒积分原理对损伤演化方程积分，得到光滑试件和缺口试件在恒幅交变载荷作用下寿命预估方法；第四，建立双损伤变量模型中实际工作状态下的结构疲劳失效判据；最后，利用上述寿命预估方法，由KT=1 、KT=3 和KT=5 的标准试件疲劳试验数据确定30CrMnSiNi2A损伤演化方程中的材质参数，并在此基础上给出了不同KT 下的理论中值疲劳曲线。第三部分为各向异性疲劳损伤模型的研究。首先，建立杆板模型描述连续介质体元的各向异性损伤演化，得到用杆和板损伤度表示的连续介质体元的各向异性损伤本构关系，进而以热力学原理为基础，构建杆和板的损伤演化方程；其次，建立各向异性损伤模型中体元的疲劳失效判据；第三，建立光滑试件和有缺口试件在恒幅交变载荷作用下寿命预估方法；最后，由 KT=1 、KT=3 和KT=5的标准试件疲劳试验数据确定LC4CS铝合金损伤演化方程中的材质参数，并在此基础上给出了不同KT 下的理论中值疲劳曲线。总之，本文的工作主要表现在为采用连续介质损伤力学方法来预估金属构件的疲劳寿命提供一种可行的方法，在很大程度上降低了抗疲劳设计对试验的依赖性。