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

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 高强度铝合金腐蚀研究现状
• 1.2.1 金属腐蚀科学的发展及分类
• 1.2.2 应力腐蚀研究概述
• 1.2.3 腐蚀疲劳
• 1.2.4 腐蚀损伤的评估方法
• 1.3 损伤力学的发展及研究现状
• 1.3.1 损伤力学的发展及损伤理论分类
• 1.3.2 损伤力学研究方法描述
• 1.4 本文研究工作的意义及主要内容
• 1.4.1 研究工作的意义
• 1.4.2 本文工作简介
• 第二章 腐蚀损伤中的能量问题
• 2.1 损伤力学的热力学基础
• 2.1.1 能量守恒定律（热力学第一定律）
• 2.1.2 熵原理(热力学第二定律
• 2.1.3 热力学状态变量与热力学势
• 2.2 腐蚀损伤发展的热力学基础
• 2.2.1 腐蚀损伤发展的吉布斯（Gibbs）自山能判据
• 2.2.2 腐蚀损伤发展的驱动力
• 2.3 应力与腐蚀共同作用损伤中的能量问题
• 2.3.1 热力学第一定律
• 2.3.2 热力学第二定律
• 2.3.3 热力学状态变量
• 2.4 腐蚀中的力学化学效应
• 2.4.1 弹性变形金属腐蚀过程中的力学化学效应
• 2.4.2 塑性变形金属腐蚀过程中的力学化学效应
• 2.5 本章小结
• 第三章 7075-T6高强度铝合金的盐雾腐蚀试验
• 3.1 试验目的
• 3.2 腐蚀试验技术要求
• 3.3 试验件
• 3.4 试验安排
• 3.4.1 材料强度试验
• 3.4.2 腐蚀试验
• 3.4.3 有加载试验件腐蚀试验
• 3.5 试验现象及试验数据
• 3 5.1 加速腐蚀试验件现象观察及分析
• 3.5.2 高强度铝合金7075-T6静力学性能试验数据
• 3.5.3 腐蚀失重数据及其对比分析
• 3.5.4 预腐蚀试验件力学性能数据
• 3.6 本章小结
• 第四章 点蚀损伤力学模型及预腐蚀材料性能预测
• 4.1 铝合金的点蚀损伤
• 4.1.1 铝合金点蚀损伤机理
• 4.1.2 点蚀坑模型
• 4.2 点蚀损伤评定─孔隙率法
• 4.2.1 纯腐蚀环境作用下的孔隙率计算
• 4.2.2 应力与腐蚀环境同时作用下的孔隙率计算
• 4.3 细观损伤力学基础
• 4.3.1 含微孔洞损伤材料有效模量的计算方法
• 4.3.2 Gurson模型及其发展
• 4.3.3 孔洞演化率
• 4.3.4 含孔洞损伤材料本构关系
• 4.4 含点蚀损伤材料性能估计算例
• 4.4.1 含点蚀损伤体弹性模量的细观损伤力学估计
• 4.4.2 含点蚀损伤体屈服极限的细观损伤力学估计
• 4.4.3 含点蚀损伤体塑性段应力应变关系及断裂强度的细观损伤力学估计
• 4.5 本章小结
• 第五章 应力腐蚀损伤
• 5.1 应力腐蚀现象
• 5.1.1 应力腐蚀的特征
• 5.1.2 应力腐蚀的机理
• 5.2 点蚀坑向应力腐蚀裂纹的转化
• 5.2.1 点蚀坑向微裂纹转化的判据
• 5.2.2 应力腐蚀断裂门槛值
• 5.3 应力腐蚀裂纹的起始寿命
• 5.3.1 应力腐蚀裂纹起始寿命的点蚀坑模型
• 5.3.2 应力腐蚀裂纹起始寿命的损伤力学模型
• 5.3.3 应力腐蚀裂纹起始寿命计算
• 5.4 应力腐蚀裂纹的扩展
• 5.4.1 应力腐蚀裂纹扩展的电化学溶解模型
• 5.4.2 应力腐蚀裂纹扩展的断裂力学模型
• 5.4.3 讨论
• 5.5 应力腐蚀裂纹寿命
• 5.6 本章小结
• 第六章 腐蚀疲劳损伤
• 6.1 腐蚀疲劳现象
• 6.1.1 腐蚀疲劳的特征
• 6.1.2 腐蚀疲劳机理
• 6.2 点蚀坑向腐蚀疲劳裂纹的转化
• 6.2.1 点蚀坑向腐蚀疲劳裂纹转化的判据
• 6.2.2 腐蚀疲劳裂纹扩展门槛值
• 6.3 腐蚀疲劳裂纹的起始寿命
• 6.3.1 腐蚀疲劳裂纹的起始寿命的点蚀坑模型
• 6.3.2 腐蚀疲劳裂纹的起始寿命的损伤力学模型
• 6.4 腐蚀疲劳裂纹的扩展
• 6.4.1 腐蚀疲劳裂纹扩展速率模型
• 6.4.2 铝合金腐蚀疲劳裂纹扩展速率的工程模型
• 6.4.3 算例分析
• 6.5 化学短裂纹
• 6.5.1 化学短裂纹的特征参数及其影响因素
• 6.5.2 化学短裂纹的机理
• 6.6 本章小结
• 第七章 腐蚀损伤理论在飞机结构日历寿命分析中的应用
• 7.1 日历寿命
• 7.2 日历寿命研究涉及的主要内容及关键问题
• 7.3 腐蚀损伤理论的应用
• 7.3.1 加速腐蚀试验
• 7.3.2 加速当量关系
• 7.3.3 腐蚀介质环境下构件持续使用的日历寿命
• 7.3.4 存在应力腐蚀的问题
• 7.3.5 疲劳寿命
• 7.4 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 试验研究
• 8.2 理论模型研究
• 8.2.1 点蚀损伤方面
• 8.2.2 应力腐蚀损伤方面
• 8.2.3 腐蚀疲劳损伤方面
• 8.3 今后工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 发表论文及获奖情况