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多轴恒幅载荷下热机械疲劳损伤模型：理论、验证与应用拓展

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代工程领域，众多关键部件和结构长期处于复杂的服役环境中，承受着多轴恒幅载荷以及热机械疲劳的共同作用。例如，航空发动机的涡轮叶片、汽车发动机的曲轴、化工压力容器以及风力发电机的叶片等，这些部件在运行过程中，不仅受到机械应力的周期性变化，还伴随着温度的剧烈波动。多轴恒幅载荷是指在多个方向上同时作用着大小恒定的周期性载荷，其相较于单轴载荷，会使材料内部的应力应变状态更加复杂，导致疲劳损伤的机制和演化过程更为多样化。而热机械疲劳则是由于温度循环变化与机械载荷相互耦合，引发材料内部的热应力与机械应力叠加，进一步加剧了材料的损伤程度。

以航空发动机为例，其涡轮叶片在高速旋转过程中，承受着巨大的离心力、气动力以及热应力。离心力和部分气动力构成了多轴机械载荷，而高温燃气的冲刷使得叶片温度在短时间内急剧变化，形成了热机械疲劳的恶劣工况。据统计，航空发动机因热机械疲劳导致的失效案例在所有故障中占据相当高的比例，严重威胁飞行安全，同时也带来了高昂的维修成本和停机损失。在汽车发动机领域，曲轴在周期性的扭矩和弯曲力作用下，再加上发动机工作时的高温环境，也极易发生热机械疲劳损伤，影响发动机的性能和可靠性。

研究多轴恒幅载荷下的热机械疲劳损伤模型具有至关重要的意义。准确的损伤模型能够为工程结构的安全设计提供坚实的理论依据。通过对材料在复杂载荷和温度条件下的损伤演化进行精确预测，工程师可以优化结构设计，合理选择材料，确定关键部件的尺寸和形状，从而提高结构的抗疲劳性能，降低发生疲劳失效的风险。损伤模型在工程结构的寿命预测方面发挥着核心作用。借助损伤模型，结合实际的服役工况和材料性能参数，可以准确估算结构的剩余寿命，为制定合理的维护计划和更换策略提供科学指导，避免因过度维修造成资源浪费，或因维修不及时导致严重事故。

1.2国内外研究现状

在多轴恒幅载荷下热机械疲劳损伤模型的研究领域，国内外学者已开展了大量深入且富有成效的工作。

国外方面，早在20世纪中叶，随着航空航天等高端制造业的快速发展，对材料在复杂工况下的性能研究需求日益迫切，多轴疲劳及热机械疲劳相关研究开始兴起。美国国家航空航天局（NASA）等科研机构率先投入大量资源，针对航空发动机关键部件材料开展多轴热机械疲劳实验研究，积累了丰富的实验数据，为后续理论模型的建立奠定了坚实基础。

在损伤模型构建方面，临界面法是较早被提出且广泛应用的方法之一。临界面法的核心在于通过确定材料中最易发生疲劳损伤的临界平面，进而基于该平面上的应力、应变等参数构建损伤参量来描述疲劳损伤过程。例如，Brown-Miller损伤参量，其综合考虑了临界平面上的最大剪应变幅以及法向应变幅对疲劳损伤的影响，在预测多轴疲劳寿命方面取得了一定成果。但该参量在处理热机械疲劳问题时，对温度因素的考虑相对简单，仅通过简单的修正系数来体现温度对材料性能的影响，难以精确描述温度与机械载荷复杂耦合作用下的损伤演化机制。

能量法也是研究多轴热机械疲劳损伤的重要途径。能量法从能量耗散的角度出发，认为材料在疲劳过程中的损伤是由于能量不断耗散导致的。如Manson-Coffin能量法，基于应变能密度与疲劳寿命之间的关系来预测疲劳寿命，考虑了材料在循环加载过程中的塑性变形能耗。然而，在多轴热机械疲劳条件下，能量的耗散形式更为复杂，除了塑性变形能耗外，还涉及热激活过程中的能量损耗、氧化等环境因素导致的能量变化等，现有能量法模型难以全面准确地考虑这些复杂因素，导致在实际应用中预测精度受限。

近年来，随着计算机技术的飞速发展，数值模拟方法在多轴热机械疲劳损伤研究中得到了广泛应用。有限元分析（FEA）方法能够将复杂的材料模型和载荷条件进行数值离散化处理，通过计算机模拟来预测材料在多轴热机械疲劳载荷下的应力应变分布及损伤演化过程。一些商业有限元软件如ANSYS、ABAQUS等，具备强大的材料本构模型库和多物理场耦合分析功能，为研究人员提供了便捷高效的模拟工具。但数值模拟方法也存在一定局限性，其计算精度高度依赖于所采用的材料本构模型和参数的准确性，而在多轴热机械疲劳复杂工况下，准确获取材料本构参数往往较为困难，此外，模拟过程通常需要耗费大量的计算资源和时间。

国内在多轴恒幅载荷下热机械疲劳损伤模型研究起步相对较晚，但近年来发展迅速。众多高校和科研机构如清华大学、北京航空航天大学、上海交通大学等在该领域取得了一系列具有国际影响力的成果。研究人员在借鉴国外先进理论和方法的基础上，结合国内工程实际需求，开展了大量创新性研究工作。

在理论模型创新方面，国内学者针对传统损伤模型在考虑多轴热机械疲劳复杂损伤机制时的不足，提出了一系列改进和新的模型。例