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铸钢节点有着良好的力学性能、机械加工性能和可焊性，广泛应用于桥梁、海洋平台和房屋建筑中，承受汽车、火车、海浪、风等往复荷载，易在节点倒角和对接焊缝(用于和其他构件连接)处萌生疲劳裂纹，面临疲劳问题。疲劳裂纹扩展具有隐蔽性：在大尺寸构件中，疲劳裂纹扩展往往持续较长时间，且仅在裂纹周围引起应力应变集中，而构件的变化并不明显。疲劳裂纹引起的破坏具有突发性：当裂纹达到临界值，会导致构件脆性破坏。铸钢节点的突然退出工作，对整个结构的应力分布产生较大影响，甚至会引起结构坍塌。因此，及时发现疲劳裂纹、评估疲劳裂纹损伤、计算疲劳裂纹剩余寿命对铸钢节点的安全使用具有重要意义。
基于以上背景，本文以G20Mn5QT铸钢及其对接焊缝为研究对象，以疲劳裂纹剩余寿命预测为落脚点，研究了两种材料的疲劳裂纹扩展性能，建立了双参数裂纹扩展驱动力模型作为裂纹扩展的计算模型，揭示了两种材料的疲劳裂纹扩展机理，提出了基于声发射技术的疲劳裂纹监测方法。
1)研究了铸钢及其对接焊缝的疲劳裂纹扩展性能。通过试验得到了铸钢及其对接焊缝的基本力学性能、化学成分和微观组织结构。完成了3种应力比、多种最大荷载、2种试件厚度下铸钢及其对接焊缝的疲劳裂纹扩展试验，得到了疲劳裂纹扩展速率曲线。讨论了各变量对裂纹扩展速率的影响：应力比影响显著，较高应力比下疲劳裂纹扩展速率较快；在10mm以内，试件厚度对铸钢的疲劳裂纹扩展速率影响较小；而在相同应力比条件下，最大荷载较大则疲劳裂纹扩展速率较小；相比于G20Mn5QT铸钢材料，焊缝的疲劳裂纹扩展初始速率较低，但其疲劳裂纹扩展速率的增长率较高。采用完全数据法和参数估计法对试验数据进行了可靠性分析。基于Paris裂纹扩展速率模型，给出了各工况下具有50%置信度和95%置信度的裂纹扩展速率方程，为疲劳设计和剩余寿命预测提供了疲劳裂纹扩展本构方程。
2)建立了双参数裂纹扩展驱动力模型。该模型基于裂纹尖端钝头假设和材料离散化假设，将裂纹扩展过程简化为裂纹扩展路径上一系列有限单元体的依次失效，将修正的SWT损伤参数作为裂纹扩展驱动力，进而与裂纹扩展速率建立起函数关系。该模型统一考虑应力比、试件厚度、最大荷载和加载历史对裂纹扩展速率的影响，针对一种材料给出统一的裂纹扩展速率方程。基于该模型，实现了疲劳裂纹扩展过程的有限元模拟，计算得到了不同裂纹扩展长度所需要的疲劳荷载循环次数。模拟结果与试验结果对比具有较高的精度，所有数据点的误差均小于20%。给出了铸钢及其对接焊缝的具有50%置信度和95%置信度的疲劳裂纹扩展速率方程，简化了疲劳裂纹扩展计算，改进了疲劳设计和剩余寿命的计算方法。
3)揭示了铸钢及其对接焊缝的疲劳裂纹扩展机理。进行了G20Mn5QT铸钢及其对接焊缝疲劳裂纹扩展过程中的声发射采集试验。建立了基于门槛值法和平行试验法的噪音信号滤除方法和基于小波阈值降噪的信号噪音成分滤除方法。基于声发射信号特征分析与裂纹断口微观结构分析，建立了声发射信号、疲劳裂纹扩展过程、裂纹损伤开裂模式三者之间的对应关系。铸钢及其对接焊缝的疲劳裂纹扩展是拉伸断裂、剪切断裂和裂纹尖端循环塑性变形的组合：循环塑性变形在裂纹尖端不断累积损伤，当损伤达到临界值后，裂纹尖端材料发生大量拉伸断裂和少量间断性的剪切断裂。从能量的角度而言，循环塑性变形下的疲劳损伤累积阶段释放了最多的应变能，占到整个疲劳裂纹扩展释放应变能的50%左右。剩余的应变能主要由材料拉伸断裂释放，但是单个拉伸断裂释放的应变能很小。剪切断裂释放的总的应变能相较于前两者而言很小，但是单个剪切断裂所释放的应变能最大。紧凑拉伸试件疲劳裂纹扩展过程中的剪切断裂主要是由材料内部缺陷及其周围的复杂应力应变引起。
4)提出了一种基于声发射信号的铸钢及其对接焊缝疲劳裂纹监测方法。该方法包含5个步骤，实现了疲劳裂纹的识别、定位、损伤定量和剩余寿命预测。①进行声发射信号的特征值提取，包括使用小波包分析法提取信号不同频段能量占比作为信号频率-能量维度的特征值。②引入人工神经网络识别疲劳裂纹，包括判断裂纹是否存在和识别开裂材料。③使用时差定位法，确定声发射源的空间位置。④借助人工神经网络建立声发射信号与疲劳裂纹损伤之间的定量关系，其中疲劳裂纹损伤由双参数裂纹扩展驱动力模型中的Dm,swt表示。⑤引入双参数裂纹扩展驱动力模型，进行疲劳裂纹剩余寿命预测。该监测方法对疲劳裂纹识别有很高的精度，对疲劳裂纹定位精度较低，对疲劳裂纹损伤定量和剩余寿命预测有一定的精度保证，可以用于实际中的疲劳裂纹监测。
本研究弥补了G20Mn5QT铸钢及其对接焊缝疲劳裂纹研究领域的空白，提出了疲劳裂纹扩展计算方法和监测方法，为G20Mn5QT铸钢的工程应用提供了保障。
基于以上背景，本文以G20Mn5QT铸钢及其对接焊缝为研究对象，以疲劳裂纹剩余寿命预测为落脚点，研究了两种材料的疲劳裂纹扩展性能，建立了双参数裂纹扩展驱动力模型作为裂纹扩展的计算模型，揭示了两种材料的疲劳裂纹扩展机理，提出了基于声发射技术的疲劳裂纹监测方法。
1)研究了铸钢及其对接焊缝的疲劳裂纹扩展性能。通过试验得到了铸钢及其对接焊缝的基本力学性能、化学成分和微观组织结构。完成了3种应力比、多种最大荷载、2种试件厚度下铸钢及其对接焊缝的疲劳裂纹扩展试验，得到了疲劳裂纹扩展速率曲线。讨论了各变量对裂纹扩展速率的影响：应力比影响显著，较高应力比下疲劳裂纹扩展速率较快；在10mm以内，试件厚度对铸钢的疲劳裂纹扩展速率影响较小；而在相同应力比条件下，最大荷载较大则疲劳裂纹扩展速率较小；相比于G20Mn5QT铸钢材料，焊缝的疲劳裂纹扩展初始速率较低，但其疲劳裂纹扩展速率的增长率较高。采用完全数据法和参数估计法对试验数据进行了可靠性分析。基于Paris裂纹扩展速率模型，给出了各工况下具有50%置信度和95%置信度的裂纹扩展速率方程，为疲劳设计和剩余寿命预测提供了疲劳裂纹扩展本构方程。
2)建立了双参数裂纹扩展驱动力模型。该模型基于裂纹尖端钝头假设和材料离散化假设，将裂纹扩展过程简化为裂纹扩展路径上一系列有限单元体的依次失效，将修正的SWT损伤参数作为裂纹扩展驱动力，进而与裂纹扩展速率建立起函数关系。该模型统一考虑应力比、试件厚度、最大荷载和加载历史对裂纹扩展速率的影响，针对一种材料给出统一的裂纹扩展速率方程。基于该模型，实现了疲劳裂纹扩展过程的有限元模拟，计算得到了不同裂纹扩展长度所需要的疲劳荷载循环次数。模拟结果与试验结果对比具有较高的精度，所有数据点的误差均小于20%。给出了铸钢及其对接焊缝的具有50%置信度和95%置信度的疲劳裂纹扩展速率方程，简化了疲劳裂纹扩展计算，改进了疲劳设计和剩余寿命的计算方法。
3)揭示了铸钢及其对接焊缝的疲劳裂纹扩展机理。进行了G20Mn5QT铸钢及其对接焊缝疲劳裂纹扩展过程中的声发射采集试验。建立了基于门槛值法和平行试验法的噪音信号滤除方法和基于小波阈值降噪的信号噪音成分滤除方法。基于声发射信号特征分析与裂纹断口微观结构分析，建立了声发射信号、疲劳裂纹扩展过程、裂纹损伤开裂模式三者之间的对应关系。铸钢及其对接焊缝的疲劳裂纹扩展是拉伸断裂、剪切断裂和裂纹尖端循环塑性变形的组合：循环塑性变形在裂纹尖端不断累积损伤，当损伤达到临界值后，裂纹尖端材料发生大量拉伸断裂和少量间断性的剪切断裂。从能量的角度而言，循环塑性变形下的疲劳损伤累积阶段释放了最多的应变能，占到整个疲劳裂纹扩展释放应变能的50%左右。剩余的应变能主要由材料拉伸断裂释放，但是单个拉伸断裂释放的应变能很小。剪切断裂释放的总的应变能相较于前两者而言很小，但是单个剪切断裂所释放的应变能最大。紧凑拉伸试件疲劳裂纹扩展过程中的剪切断裂主要是由材料内部缺陷及其周围的复杂应力应变引起。
4)提出了一种基于声发射信号的铸钢及其对接焊缝疲劳裂纹监测方法。该方法包含5个步骤，实现了疲劳裂纹的识别、定位、损伤定量和剩余寿命预测。①进行声发射信号的特征值提取，包括使用小波包分析法提取信号不同频段能量占比作为信号频率-能量维度的特征值。②引入人工神经网络识别疲劳裂纹，包括判断裂纹是否存在和识别开裂材料。③使用时差定位法，确定声发射源的空间位置。④借助人工神经网络建立声发射信号与疲劳裂纹损伤之间的定量关系，其中疲劳裂纹损伤由双参数裂纹扩展驱动力模型中的Dm,swt表示。⑤引入双参数裂纹扩展驱动力模型，进行疲劳裂纹剩余寿命预测。该监测方法对疲劳裂纹识别有很高的精度，对疲劳裂纹定位精度较低，对疲劳裂纹损伤定量和剩余寿命预测有一定的精度保证，可以用于实际中的疲劳裂纹监测。
本研究弥补了G20Mn5QT铸钢及其对接焊缝疲劳裂纹研究领域的空白，提出了疲劳裂纹扩展计算方法和监测方法，为G20Mn5QT铸钢的工程应用提供了保障。