高速銑刀安全性衰退機理及其跨尺度關聯(lián)設計方法結題摘要

為揭示多強場耦合作用下高速銑刀安全性的科學實質，解決高速銑刀安全性衰退導致的不穩(wěn)定切削等問題，采用結構化設計方法構建高速銑刀安全穩(wěn)定性物理原型，提出了高速銑刀安全性表征方法，獲得了離心力與動態(tài)切削力交互作用對銑刀安全穩(wěn)定性、組件變形行為及銑刀完整性破壞影響規(guī)律，建立了高速銑刀宏觀層次安全性衰退行為特征模型，闡明了銑刀組件宏觀模型形變、結合面壓潰、延性斷裂對結構、合金成分、切削參數(shù)的響應特性。 在分子力學結構優(yōu)化基礎上，獲得了銑刀組件最優(yōu)構型，闡明了高速銑刀組件晶面解理、位錯形核、位錯運動和塞積、微裂紋擴展、晶界遷移、位錯攀移對應力及應變速率的響應特性，建立了高速銑刀介觀層次安全性本征/非本征模型，揭示出高速銑刀安全性衰退的介觀本質特征及演變規(guī)律。 溝通與整合介觀/宏觀層次理論，建立了原子/有限元交疊帶模型，提出了基于力連接的高速銑刀連續(xù)介質－分子動力學關聯(lián)方法，實現(xiàn)了材料點與原子間相互轉換，驗證了材料點區(qū)域和分子動力學區(qū)域的同步關聯(lián)演化過程，揭示出組件材料原子點陣位錯運行轉變?yōu)檫B續(xù)介質位錯群的動態(tài)過程；建立了原子群熵值的分析模型，提出亂序原子判定，闡明了原子群運動和連續(xù)介質運動的耦合匹配關系，建立了高速銑刀安全性衰退本征/非本征模型，揭示出高速銑刀安全性衰退機理及跨尺度同步關聯(lián)演變規(guī)律。 闡明了高速銑刀安全性本征/非本征衰退交互作用，揭示出銑刀結構、合金成分、切削參數(shù)對安全性衰退的影響規(guī)律，構建了安全穩(wěn)定性和完整性約束條件下的高速銑刀設計原型；通過溝通和整合介觀結構域、宏觀結構域和功能域之間映射變換途徑，建立底層功能優(yōu)化設計模型，形成高速銑刀跨尺度關聯(lián)設計方法。 本項目重點解決了高速銑刀介觀/宏觀安全動態(tài)特性、高速銑刀原子群運動與連續(xù)介質運動耦合匹配關系、高速銑刀安全性本征/非本征衰退及其交互作用機理等關鍵科學問題，揭示了多強場耦合作用下高速銑刀安全性的科學實質，實現(xiàn)了安全性衰退行為的定量描述，獲得了銑刀結構、材料、切削參數(shù)對安全性衰退影響規(guī)律，實現(xiàn)了高速銑刀跨尺度關聯(lián)設計，為完善《高速銑刀安全性要求》國際標準和高速切削刀具設計提供了理論依據(jù)和技術指導。

高速銑削中，銑刀與工件發(fā)生碰撞、沖擊使其產(chǎn)生高速激烈應變，銑刀組件結合面出現(xiàn)壓潰、脆性或延性斷裂等問題導致的銑刀安全性衰退已成為制約高速銑削效率提高的瓶頸，銑刀材料學行為的科學實質有待揭示。高速銑刀安全性具有動態(tài)特性，跨尺度關聯(lián)是研究安全性衰退機理的制高點。 目前，研究高速銑刀跨尺度關聯(lián)方法，探索銑刀材料結構與性質的本質聯(lián)系，為新型高速銑刀的研制提供科學依據(jù)和設計方法，是高速銑刀設計研究新方向。本申請擬在已有的高速銑刀減振機理和結構化設計方法研究基礎上，研究非線性多場強耦合作用下高速銑刀安全性穩(wěn)定性，揭示安全性衰退機理；重點研究連續(xù)介質－分子動力學關聯(lián)問題，探究原子群運動和連續(xù)介質運動的耦合匹配關系，建立安全性衰退本征/非本征模型并研究其交互作用，提出高速銑刀跨尺度關聯(lián)設計方法。課題的完成將在高速銑刀設計理論上取得突破，研究成果在該領域達到國際先進水平。

本申請擬從宏觀、位錯和原子三個層次上研究應力腐蝕，以及各個層次間的跨尺度關聯(lián)，探討微觀過程和宏觀規(guī)律之間的內在聯(lián)系。在宏觀層次上利用流變應力差值法研究膜致附加應力及其與應力腐蝕敏感性的關系，氫對附加應力的影響，得到氫對應力腐蝕的定量貢獻；在位錯層次上把應力腐蝕厚試樣的裂尖部分制備為薄膜試樣，利用透射電鏡研究陽極溶解型、氫脆型和混合型應力腐蝕裂尖形貌，研究厚試樣與薄膜試樣的異同，探討裂尖鈍化膜和位錯組態(tài)及應力腐蝕微裂紋三者間的關系；在原子層次上利用電化學掃描隧道顯微鏡對銅單晶的應力腐蝕過程進行研究，原位跟蹤觀察應力腐蝕過程中裂尖原子組態(tài)的變化以及與裂紋擴展的關系；利用三維分子動力學模擬銅單晶應力腐蝕時的腐蝕膜附加應力，以及該附加應力對位錯發(fā)射、裂紋形核的影響；研究三個層次間的跨尺度關聯(lián)性，提出反映微觀過程與宏觀規(guī)律相對應的應力腐蝕機理，為新材料的環(huán)境適應性設計提供理論基礎。

本課題面向目前橋梁結構疲勞壽命預測領域尚無法考慮橋梁服役期內由于材料性能劣化、局部損傷累積、交通流量增加等重要因素所導致的疲勞性能衰退的問題，研究了涉及結構疲勞性能衰退的結構多尺度的建模策略、模型修正和驗證技術、結構最不利部位的疲勞損傷檢測技術、以及橋梁關鍵構件疲勞狀態(tài)評定、壽命預測與可靠性評估等關鍵問題。一方面，結合大跨橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)，基于實時監(jiān)測信息和時間多尺度分析與信息集成、分離與提取技術,研究了結構疲勞狀態(tài)反演(反分析)的疲勞狀態(tài)識別方法，對當前結構響應指紋信息進行提取并完成了程序實現(xiàn)。另一方面，突破了單一的反分析的診斷方法，建立了以疲勞損傷累積和劣化過程分析為目標的橋梁結構一致多尺度有限元模型，探討了多尺度模型的修正和驗證技術，基于該模型模擬和分析了橋梁結構疲勞損傷累積和抗力衰減的過程，并在結構疲勞性能衰退分析基礎上預測結構疲勞壽命并進行了疲勞可靠度的更新。主要研究內容有：建立了一個兼顧結構整體尺度、局部構件尺度和局部細節(jié)尺度的橋梁結構有限元模型，實現(xiàn)了在同一模型上同時提取結構整體響應、焊接細節(jié)處局部損傷累積信息；研究了基于橋梁竣工試驗的測試信息和健康監(jiān)測信息的模型修正和模型驗證技術，為結構狀態(tài)評估和失效仿真分析提供了準確的基準模型；進一步深化多尺度有限元模型，針對疲勞裂紋萌生和疲勞裂紋擴展兩個不同階段，建立了面向結構疲勞性能衰退分析和疲勞狀態(tài)評估為目標的多尺度模型；基于橋梁監(jiān)測信息和人工檢測、無損探傷等手段獲得的橋梁結構銹蝕、裂紋、損傷狀態(tài)修改和修正模型; 深入研究了環(huán)境參數(shù)變化和隨機性因素對結構疲勞狀態(tài)特征指標的影響，確保在變化的環(huán)境參數(shù)下能夠準確識別結構的疲勞狀態(tài)；創(chuàng)建了基于疲勞性能衰退過程分析進行橋梁結構關鍵焊接構件、纜索錨固區(qū)和鋼箱梁體系的疲勞壽命預測與時變可靠性評估方法。最后，編制了與橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)相配套的疲勞壽命和疲勞可靠性可視化的程序，以期與現(xiàn)有的疲勞狀態(tài)識別和壽命預測的軟件相集成，為大跨橋梁疲勞損傷的及早偵測和準確的壽命評估提供依據(jù)。借助本項目的資助，完成論文7篇，其中SCI收錄4篇，EI收錄3篇，完成專著1部，參與的項目“長大跨橋梁結構狀態(tài)評估關鍵技術與應用”，分別獲得2012年度江蘇省科技進步一等獎，和2013年度國家科技進步二等獎。已經(jīng)受理的發(fā)明專利4項。 2100433B