高速铣刀安全性衰退机理及其跨尺度关联设计方法

为揭示多强场耦合作用下高速铣刀安全性的科学实质，解决高速铣刀安全性衰退导致的不稳定切削等问题，采用结构化设计方法构建高速铣刀安全稳定性物理原型，提出了高速铣刀安全性表征方法，获得了离心力与动态切削力交互作用对铣刀安全稳定性、组件变形行为及铣刀完整性破坏影响规律，建立了高速铣刀宏观层次安全性衰退行为特征模型，阐明了铣刀组件宏观模型形变、结合面压溃、延性断裂对结构、合金成分、切削参数的响应特性。 在分子力学结构优化基础上，获得了铣刀组件最优构型，阐明了高速铣刀组件晶面解理、位错形核、位错运动和塞积、微裂纹扩展、晶界迁移、位错攀移对应力及应变速率的响应特性，建立了高速铣刀介观层次安全性本征/非本征模型，揭示出高速铣刀安全性衰退的介观本质特征及演变规律。 沟通与整合介观/宏观层次理论，建立了原子/有限元交叠带模型，提出了基于力连接的高速铣刀连续介质－分子动力学关联方法，实现了材料点与原子间相互转换，验证了材料点区域和分子动力学区域的同步关联演化过程，揭示出组件材料原子点阵位错运行转变为连续介质位错群的动态过程；建立了原子群熵值的分析模型，提出乱序原子判定，阐明了原子群运动和连续介质运动的耦合匹配关系，建立了高速铣刀安全性衰退本征/非本征模型，揭示出高速铣刀安全性衰退机理及跨尺度同步关联演变规律。 阐明了高速铣刀安全性本征/非本征衰退交互作用，揭示出铣刀结构、合金成分、切削参数对安全性衰退的影响规律，构建了安全稳定性和完整性约束条件下的高速铣刀设计原型；通过沟通和整合介观结构域、宏观结构域和功能域之间映射变换途径，建立底层功能优化设计模型，形成高速铣刀跨尺度关联设计方法。 本项目重点解决了高速铣刀介观/宏观安全动态特性、高速铣刀原子群运动与连续介质运动耦合匹配关系、高速铣刀安全性本征/非本征衰退及其交互作用机理等关键科学问题，揭示了多强场耦合作用下高速铣刀安全性的科学实质，实现了安全性衰退行为的定量描述，获得了铣刀结构、材料、切削参数对安全性衰退影响规律，实现了高速铣刀跨尺度关联设计，为完善《高速铣刀安全性要求》国际标准和高速切削刀具设计提供了理论依据和技术指导。

高速铣削中，铣刀与工件发生碰撞、冲击使其产生高速激烈应变，铣刀组件结合面出现压溃、脆性或延性断裂等问题导致的铣刀安全性衰退已成为制约高速铣削效率提高的瓶颈，铣刀材料学行为的科学实质有待揭示。高速铣刀安全性具有动态特性，跨尺度关联是研究安全性衰退机理的制高点。 目前，研究高速铣刀跨尺度关联方法，探索铣刀材料结构与性质的本质联系，为新型高速铣刀的研制提供科学依据和设计方法，是高速铣刀设计研究新方向。本申请拟在已有的高速铣刀减振机理和结构化设计方法研究基础上，研究非线性多场强耦合作用下高速铣刀安全性稳定性，揭示安全性衰退机理；重点研究连续介质－分子动力学关联问题，探究原子群运动和连续介质运动的耦合匹配关系，建立安全性衰退本征/非本征模型并研究其交互作用，提出高速铣刀跨尺度关联设计方法。课题的完成将在高速铣刀设计理论上取得突破，研究成果在该领域达到国际先进水平。

本申请拟从宏观、位错和原子三个层次上研究应力腐蚀，以及各个层次间的跨尺度关联，探讨微观过程和宏观规律之间的内在联系。在宏观层次上利用流变应力差值法研究膜致附加应力及其与应力腐蚀敏感性的关系，氢对附加应力的影响，得到氢对应力腐蚀的定量贡献；在位错层次上把应力腐蚀厚试样的裂尖部分制备为薄膜试样，利用透射电镜研究阳极溶解型、氢脆型和混合型应力腐蚀裂尖形貌，研究厚试样与薄膜试样的异同，探讨裂尖钝化膜和位错组态及应力腐蚀微裂纹三者间的关系；在原子层次上利用电化学扫描隧道显微镜对铜单晶的应力腐蚀过程进行研究，原位跟踪观察应力腐蚀过程中裂尖原子组态的变化以及与裂纹扩展的关系；利用三维分子动力学模拟铜单晶应力腐蚀时的腐蚀膜附加应力，以及该附加应力对位错发射、裂纹形核的影响；研究三个层次间的跨尺度关联性，提出反映微观过程与宏观规律相对应的应力腐蚀机理，为新材料的环境适应性设计提供理论基础。

本课题面向目前桥梁结构疲劳寿命预测领域尚无法考虑桥梁服役期内由于材料性能劣化、局部损伤累积、交通流量增加等重要因素所导致的疲劳性能衰退的问题，研究了涉及结构疲劳性能衰退的结构多尺度的建模策略、模型修正和验证技术、结构最不利部位的疲劳损伤检测技术、以及桥梁关键构件疲劳状态评定、寿命预测与可靠性评估等关键问题。一方面，结合大跨桥梁结构健康监测系统，基于实时监测信息和时间多尺度分析与信息集成、分离与提取技术,研究了结构疲劳状态反演(反分析)的疲劳状态识别方法，对当前结构响应指纹信息进行提取并完成了程序实现。另一方面，突破了单一的反分析的诊断方法，建立了以疲劳损伤累积和劣化过程分析为目标的桥梁结构一致多尺度有限元模型，探讨了多尺度模型的修正和验证技术，基于该模型模拟和分析了桥梁结构疲劳损伤累积和抗力衰减的过程，并在结构疲劳性能衰退分析基础上预测结构疲劳寿命并进行了疲劳可靠度的更新。主要研究内容有：建立了一个兼顾结构整体尺度、局部构件尺度和局部细节尺度的桥梁结构有限元模型，实现了在同一模型上同时提取结构整体响应、焊接细节处局部损伤累积信息；研究了基于桥梁竣工试验的测试信息和健康监测信息的模型修正和模型验证技术，为结构状态评估和失效仿真分析提供了准确的基准模型；进一步深化多尺度有限元模型，针对疲劳裂纹萌生和疲劳裂纹扩展两个不同阶段，建立了面向结构疲劳性能衰退分析和疲劳状态评估为目标的多尺度模型；基于桥梁监测信息和人工检测、无损探伤等手段获得的桥梁结构锈蚀、裂纹、损伤状态修改和修正模型; 深入研究了环境参数变化和随机性因素对结构疲劳状态特征指标的影响，确保在变化的环境参数下能够准确识别结构的疲劳状态；创建了基于疲劳性能衰退过程分析进行桥梁结构关键焊接构件、缆索锚固区和钢箱梁体系的疲劳寿命预测与时变可靠性评估方法。最后，编制了与桥梁结构健康监测系统相配套的疲劳寿命和疲劳可靠性可视化的程序，以期与现有的疲劳状态识别和寿命预测的软件相集成，为大跨桥梁疲劳损伤的及早侦测和准确的寿命评估提供依据。借助本项目的资助，完成论文7篇，其中SCI收录4篇，EI收录3篇，完成专著1部，参与的项目“长大跨桥梁结构状态评估关键技术与应用”，分别获得2012年度江苏省科技进步一等奖，和2013年度国家科技进步二等奖。已经受理的发明专利4项。 2100433B