《异质材料结构在役性能检测及可靠性评价关键技术与应用》

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异质材料结构(如复合材料中的纤维/基体结构、双材料粘接接头结构、三明治夹芯结构等)是航空航天、汽车、风电等装备向高可靠性、轻量化发展的核心部件,研发异质材料结构在役性能检测与可靠性评价技术,对于满足中国航空航天、汽车、新能源战略需求和提升中国先进材料领域国际竞争力意义重大,是产业技术竞争的焦点和研究的热点。高性能结构材料和先进复合材料等异质材料在《中国制造2025》战略规划中被列为“新材料”领域的发展重点,并强调急需研发异质材料结构制备加工关键技术和装备,加强基础研究和体系建设,突破产业化制备瓶颈;同时,科技部“十三五”规划强调高端装备结构材料和高性能复合材料的开发。

异质材料结构失效机制复杂,缺乏有效的可靠性评价预测模型,现有在线检测手段不足。该项目构建了异质材料结构损伤失效机理-检测-评价-预测技术体系,解决了异质结构服役中性能检测与可靠性评价的复杂性和不确定性问题,提高了异质结构损伤检测精度和异质材料制品可靠度,是相关装备材料应用创新设计与稳定服役的重要保障。该项目属于机械工程学科制造业领域,通过理论研究、失效模型构建、检测设备研制、可靠性评价系统开发等,突破异质材料结构在设计、制造、服役过程中的质量控制与可靠性评价关键技术,实现规模化应用,取得原创性研究成果:

1、提出一种基于渐进变分匀质化方法的多尺度非线性计算方法,提高了异质材料结构强度分析的计算精度和计算效率。

2、提出适于描述高聚物连接界面中缺陷/裂纹形成、扩展行为的连续相场理论,揭示出在服役环境和载荷下,异质材料结构的损伤失效机理,实现异质材料结构服役性能的准确预测。

3、提出异质结构材料损伤参数描述和失效检测方法,建立了一套较完善的异质材料结构在役性能检测系统,实现异质材料界面损伤失效过程的检测,提升了异质材料微损伤检测率。

4、提出一种混合虚拟仿真模型的数据驱动异质材料结构可靠性异常在线检测方法,将结构在线实测数据作为输入,实现结构可靠性异常态预测,提高了结构可靠性预测准确率。

该成果受到国家自然科学基金重点项目等3项国家级项目、1项河南省科技攻关项目,以及郑州市重大协同创新项目资助,授权国家发明专利20项,实用新型专利4项,登记软件著作权10项,在Composites Part B等国际权威期刊上发表SCI论文29篇(其中中科院一区3篇,二区7篇)。培养硕士生25名,青年教师8名。该成果涵盖风电、碳纤维飞机结构、轻量化汽车相关制品的异质结构设计、生产制造过程质量监测控制、产品服役性能评价及远程运维等过程。规模化应用效果表明:异质材料产品质量大幅提高,节约了生产成本,成品率提高20%以上;新能源异质材料产品服役故障预测准确率90%以上;设备远程故障诊断和预测性维护效率提高30%以上。围绕上述产品、服务和用户,近三年累计新增产值16.2亿元。

成果说明

该项目的成果推广应用主要包含三个方面:一是应用关于复合材料等异质材料制造企业,基于研发的检测技术,构建质量在线监测系统,实现对制造工艺的动态优化控制,提升产品的品质和成品率,与此同时制造企业利用本项目成果成功开展产品全生命周期服务,为产品的用户提供在役结构的定期检测评价服务;二是应用于检测供应商或者智能装备制造商,用于开发装备产品的在线健康评估和预测性维护服务;三是应用于异质材料应用企业,利用本项目研究的数学模型和开发的仿真软件,实现对异质结构的优化设计。围绕上述产品、服务和用户,本项目成果应用涉及新材料

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