高速銑刀安全性衰退機理及其跨尺度關(guān)聯(lián)設(shè)計方法項目摘要

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(yīng)變，銑刀組件結(jié)合面出現(xiàn)壓潰、脆性或延性斷裂等問題導(dǎo)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(xué)行為的科學(xué)實質(zhì)有待揭示。高速銑刀安全性具有動態(tài)特性，跨尺度關(guān)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(guān)聯(lián)方法，探索銑刀材料結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的本質(zhì)聯(lián)系，為新型高速銑刀的研制提供科學(xué)依據(jù)和設(shè)計方法，是高速銑刀設(shè)計研究新方向。本申請擬在已有的高速銑刀減振機理和結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法研究基礎(chǔ)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(zhì)－分子動力學(xué)關(guān)聯(lián)問題，探究原子群運動和連續(xù)介質(zhì)運動的耦合匹配關(guān)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(guān)聯(lián)設(shè)計方法。課題的完成將在高速銑刀設(shè)計理論上取得突破，研究成果在該領(lǐng)域達(dá)到國際先進(jìn)水平。

為揭示多強場耦合作用下高速銑刀安全性的科學(xué)實質(zhì)，解決高速銑刀安全性衰退導(dǎo)致的不穩(wěn)定切削等問題，采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法構(gòu)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(jié)合面壓潰、延性斷裂對結(jié)構(gòu)、合金成分、切削參數(shù)的響應(yīng)特性。 在分子力學(xué)結(jié)構(gòu)優(yōu)化基礎(chǔ)上，獲得了銑刀組件最優(yōu)構(gòu)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(yīng)力及應(yīng)變速率的響應(yīng)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(zhì)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(zhì)－分子動力學(xué)關(guān)聯(lián)方法，實現(xiàn)了材料點與原子間相互轉(zhuǎn)換，驗證了材料點區(qū)域和分子動力學(xué)區(qū)域的同步關(guān)聯(lián)演化過程，揭示出組件材料原子點陣位錯運行轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)介質(zhì)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(zhì)運動的耦合匹配關(guān)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(guān)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(jié)構(gòu)、合金成分、切削參數(shù)對安全性衰退的影響規(guī)律，構(gòu)建了安全穩(wěn)定性和完整性約束條件下的高速銑刀設(shè)計原型；通過溝通和整合介觀結(jié)構(gòu)域、宏觀結(jié)構(gòu)域和功能域之間映射變換途徑，建立底層功能優(yōu)化設(shè)計模型，形成高速銑刀跨尺度關(guān)聯(lián)設(shè)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(zhì)運動耦合匹配關(guān)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(guān)鍵科學(xué)問題，揭示了多強場耦合作用下高速銑刀安全性的科學(xué)實質(zhì)，實現(xiàn)了安全性衰退行為的定量描述，獲得了銑刀結(jié)構(gòu)、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(guān)聯(lián)設(shè)計，為完善《高速銑刀安全性要求》國際標(biāo)準(zhǔn)和高速切削刀具設(shè)計提供了理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

本申請擬從宏觀、位錯和原子三個層次上研究應(yīng)力腐蝕，以及各個層次間的跨尺度關(guān)聯(lián)，探討微觀過程和宏觀規(guī)律之間的內(nèi)在聯(lián)系。在宏觀層次上利用流變應(yīng)力差值法研究膜致附加應(yīng)力及其與應(yīng)力腐蝕敏感性的關(guān)系，氫對附加應(yīng)力的影響，得到氫對應(yīng)力腐蝕的定量貢獻(xiàn)；在位錯層次上把應(yīng)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(yīng)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(yīng)力腐蝕微裂紋三者間的關(guān)系；在原子層次上利用電化學(xué)掃描隧道顯微鏡對銅單晶的應(yīng)力腐蝕過程進(jìn)行研究，原位跟蹤觀察應(yīng)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(guān)系；利用三維分子動力學(xué)模擬銅單晶應(yīng)力腐蝕時的腐蝕膜附加應(yīng)力，以及該附加應(yīng)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(guān)聯(lián)性，提出反映微觀過程與宏觀規(guī)律相對應(yīng)的應(yīng)力腐蝕機理，為新材料的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。

本課題面向目前橋梁結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測領(lǐng)域尚無法考慮橋梁服役期內(nèi)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(dǎo)致的疲勞性能衰退的問題，研究了涉及結(jié)構(gòu)疲勞性能衰退的結(jié)構(gòu)多尺度的建模策略、模型修正和驗證技術(shù)、結(jié)構(gòu)最不利部位的疲勞損傷檢測技術(shù)、以及橋梁關(guān)鍵構(gòu)件疲勞狀態(tài)評定、壽命預(yù)測與可靠性評估等關(guān)鍵問題。一方面，結(jié)合大跨橋梁結(jié)構(gòu)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(shù),研究了結(jié)構(gòu)疲勞狀態(tài)反演(反分析)的疲勞狀態(tài)識別方法，對當(dāng)前結(jié)構(gòu)響應(yīng)指紋信息進(jìn)行提取并完成了程序?qū)崿F(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(biāo)的橋梁結(jié)構(gòu)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(shù)，基于該模型模擬和分析了橋梁結(jié)構(gòu)疲勞損傷累積和抗力衰減的過程，并在結(jié)構(gòu)疲勞性能衰退分析基礎(chǔ)上預(yù)測結(jié)構(gòu)疲勞壽命并進(jìn)行了疲勞可靠度的更新。主要研究內(nèi)容有：建立了一個兼顧結(jié)構(gòu)整體尺度、局部構(gòu)件尺度和局部細(xì)節(jié)尺度的橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型，實現(xiàn)了在同一模型上同時提取結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)、焊接細(xì)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(shù)，為結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估和失效仿真分析提供了準(zhǔn)確的基準(zhǔn)模型；進(jìn)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(jié)構(gòu)疲勞性能衰退分析和疲勞狀態(tài)評估為目標(biāo)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)疲勞狀態(tài)特征指標(biāo)的影響，確保在變化的環(huán)境參數(shù)下能夠準(zhǔn)確識別結(jié)構(gòu)的疲勞狀態(tài)；創(chuàng)建了基于疲勞性能衰退過程分析進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵焊接構(gòu)件、纜索錨固區(qū)和鋼箱梁體系的疲勞壽命預(yù)測與時變可靠性評估方法。最后，編制了與橋梁結(jié)構(gòu)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(yù)測的軟件相集成，為大跨橋梁疲勞損傷的及早偵測和準(zhǔn)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(jié)構(gòu)狀態(tài)評估關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用”，分別獲得2012年度江蘇省科技進(jìn)步一等獎，和2013年度國家科技進(jìn)步二等獎。已經(jīng)受理的發(fā)明專利4項。 2100433B