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金属构件在航空器结构中起着重要的承载作用,疲劳破坏是其主要失效形式。轻量化航空器结构的精细设计,服役环境、使用载荷、加工工艺等的随机性,以及金属构件几何上的大量不连续性,如开孔、凹槽、连接等,导致金属构件的受力状态及其历程非常复杂,致使金属构件局部疲劳破坏问题依然严峻。目前,工程上广泛应用的疲劳寿命估算方法存在大量经验性假设,疲劳寿命估算精度显低,难于有效把握结构细节疲劳破坏的安全可靠性。金属构件疲劳寿命预测存在两大难题:一是疲劳破坏机理非常复杂,使得工程上难于准确评定材料内部的各类缺陷在随机变幅载荷作用下的运动特性及其变幅塑性耦合导致的损伤累积历程,现代工程中广泛应用的寿命预测方法仅是基于大量试验数据的经验性公式,难于高精度量化疲劳损伤的演化累积;二是疲劳寿命存在很大的分散性,主要原因是材料内部缺陷、加工工艺等的不确定性,以及服役环境的变化和外加载荷的随机波动。综上所述,在连续介质损伤力学基础上建立高效的概率疲劳寿命预测方法具有重要的理论研究和工程应用价值。本文主要研究工作摘要如下:1.由于疲劳试验通常耗费大量财力和时间,为节约试验成本,本文首先研究了基于小子样试验数据的不确定性分析方法——随机变量的非嵌入多项式混沌展开(Non-intrusive polynomial chaos,NIPC)。本文详细推导了非嵌入多项式混沌展开的基本公式,研究了样本容量和展开阶对收敛性的影响。针对工程实际中服从不同概率分布类型的随机变量及其之间的相关性问题,综合运用等概率转换和Nataf方法解决了不同性质工程随机变量的多项式混沌展开的算法构造问题。数值算例表明不同情形下非嵌入多项式混沌展开相比于传统Monte Carlo方法效率更高,精度更好。2.为在小子样疲劳试验数据基础上提高p-S-N曲线的预测精度,本文将Basquin应力-寿命模型概率化,认为模型参数是服从某种分布的随机变量,结合非嵌入多项式混沌展开和贝叶斯更新提出了一种基于小子样疲劳试验数据获取模型参数概率特性的方法。该方法利用数值优化反演解决了S-N模型的多参数样本获取问题,并基于较少应力水平下小子样疲劳试验数据进行模型参数关于概率疲劳寿命的多项式混沌展开。在此基础上,通过大子样数值抽样并利用统计假设检验方法获取模型参数的概率特性,同时利用校核试验数据完成模型参数统计量的贝叶斯更新。完成了四组铝合金2024-T3带孔板的恒幅谱试验用于本文方法的验证,结果表明本文方法能够有效预测不同应力恒幅载荷作用下的概率疲劳寿命。3.为量化宏观弹性变幅应力谱所导致的疲劳损伤顺序效应,本文在Eshelby夹杂理论框架下,构造了双尺度循环应力应变曲线数值算法。利用Armstrong-Frederick非线性随动强化模型,设计了细观循环塑性特性,给出了塑性模型参数以及疲劳极限的确定原则,解决了宏观变幅弹性应力谱作用下,细观循环滞回环耦合效应的数值构造问题;采用弹性预测-塑性校正的牛顿迭代算法,完成了双尺度循环应力应变曲线的完整构造。数值算例表明,本文构造的双尺度循环应力应变曲线能良好反映变幅加载下的载荷顺序效应。4.为提高金属构件在复杂随机载荷谱下疲劳寿命的预测精度,在细观循环应力应变滞回环构造方法研究基础上,本文基于Lemaitre疲劳损伤演化模型提出了新的适用于变幅载荷的双尺度疲劳损伤演化模型及其非嵌入估算方法。基于金属材料静力加卸载和疲劳试验,修正了Lemaitre损伤演化方程中塑性应变损伤门槛值的假设,并对Lemaitre疲劳损伤演化模型中的累积塑性应变增加了指数项,用于反映塑性段内非线性强化特性对损伤累积的影响。为解决均值效应对疲劳寿命的影响,本文利用Goodman等寿命曲线建立了不同应力比下塑性应变指数的转换关系。为提高计算效率,完成了疲劳损伤预测模型的非嵌入数值计算程序,实现了复杂随机载荷谱下细观应力应变的精确高效计算以及疲劳损伤的连续累积。5.基于小子样疲劳试验数据构建了双尺度疲劳损伤演化概率模型,实现了可计及载荷顺序效应的疲劳寿命概率预测。首先通过数值优化反演获取模型参数样本,利用NIPC展开构造概率模型参数描述,利用数学模型完成大子样抽样并结合非嵌入数值算法进行疲劳寿命概率分布预测。完成了铝合金2024-T3光滑圆棒常幅谱、带孔板复杂随机谱疲劳试验,结果表明该模型能够有效预测典型金属构件复杂加载下的概率疲劳寿命。应用本文算法研究,完成了C919客机翼身连接壁板结构危险点的概率疲劳寿命预测,试验结果表明,本文方法对于复杂工程构件具有可靠的寿命均值及概率分布预测。