机械工程学报

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先进设计制造技术前沿：重要装备的可靠性保障专栏序言

涂善东

机械工程学报. 2021, 57(16): 1-2. https://doi.org/10.3901/JME.2021.16.001

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严苛环境高温力学试验技术研究进展

刘利强, 张显程, 谈建平, 王润梓, 涂善东

机械工程学报. 2021, 57(16): 3-15. https://doi.org/10.3901/JME.2021.16.003

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重大工程领域中的高端装备通常在复杂载荷和严苛环境下服役，其中材料性能、多物理场载荷、环境和复杂几何特征等方面的因素给机械结构强度设计和服役安全评估带来了巨大挑战。针对服役环境下材料和结构性能测试问题，开展严苛环境高温力学试验技术研究，从而服务于核电、航空航天和化工能源等领域内关键高温部件的自主设计与制造。高温力学试验技术依赖于高温力学试验装置，我国于20世纪80年代开始大规模研制严苛环境下国产高温力学试验装备。重点阐述了国产严苛环境高温力学试验装备的发展历程，总结论述了严苛环境高温力学试验装备整体技术框架，详细分析严苛环境高温力学试验装备所涉及的4类关键技术，并介绍4类典型严苛环境国产高温力学试验装置及特点，最后对未来突破更加苛刻条件下的材料高温力学试验技术进行展望。

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多轴试验测试技术的发展与应用

宁祚良, 陈刚, 陈旭

机械工程学报. 2021, 57(16): 16-36. https://doi.org/10.3901/JME.2021.16.016

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相较于常规单轴力学试验，多轴试验可在复杂应力状态下取得材料更为全面的力学性能或对结构件寿命与失效机理进行更准确的评估。随着控制技术与测量技术的进步，多轴测试技术得以快速发展。近30年来，国内外学者通过设计各类多轴试验对材料的疲劳、断裂、冲压成型性能、各向异性行为、微观变形机制等进行大量研究，多轴试验日益成为交叉各学科的重要测试手段。多轴试验中材料的应力状态较为复杂且易产生应力集中，有限元分析是取得其应力应变分布、优化试样或结构件形式的有效方法。按试样与加载形式的不同，分别对拉扭多轴试验、面内双轴试验、拉/压-压力复合作用试验、土三轴试验的试验方法、发展历史及在不同领域内的应用进行介绍；以环形试样拉/压试验与埃里克森试验为例，介绍基于有限元分析的多轴试验方法；以汽车发动机部件的多轴试验方法为例，介绍多轴试验测试技术在工程结构件的设计与寿命评估方面的应用。

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先进材料多维多尺度高通量表征研究进展

吴圣川, 吴正凯, 康国政, 陈伟球, 李江宇, 柯燎亮, 王同敏, 肖体乔, 袁清习, 胡春明

机械工程学报. 2021, 57(16): 37-65. https://doi.org/10.3901/JME.2021.16.037

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先进材料的多维多尺度高通量表征可显著提高新材料研发效率，加快新材料应用进程，为材料及结构的可靠性服役和全寿命管理提供科学依据。介绍材料多维多尺度高通量表征技术的背景与内涵，然后对高通量样品制备与表征、多维多尺度关联成像、高通量原位表征等技术的发展进行了系统介绍，讨论多维多尺度高通量表征技术的前沿应用和技术局限性，最后对其未来发展趋势及面临的挑战进行了解析，指出这些技术挑战直接关系到高通量表征技术在先进材料及结构服役行为研究中的应用，展望多维多尺度高通量表征的若干发展方向，从而为建立材料微结构和服役性能的映射关系、跨尺度揭示工程部件的伤损机理和失效模式、推进先进材料的研发与应用进程提供参考。

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高温结构蠕变疲劳寿命设计方法：从材料到结构

王润梓, 廖鼎, 张显程, 朱顺鹏, 涂善东, 郭素娟

机械工程学报. 2021, 57(16): 66-86,105. https://doi.org/10.3901/JME.2021.16.066

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诸多领域中的结构部件长期在高温变载的严苛环境下运行，其服役过程伴随着严重的蠕变疲劳交互作用。面向高温结构长寿命、高可靠服役的迫切需求，蠕变疲劳寿命设计方法日益受到了业界学者们的高度关注。介绍蠕变疲劳交互作用机理，总结复杂蠕变疲劳加载波形下的微观损伤机制。在材料层面，回顾了基于不同理论体系的蠕变疲劳寿命预测方法。在结构层面，重点阐述了多轴应力对蠕变和疲劳损伤的影响并介绍了基于蠕变疲劳损伤交互图的寿命设计方法。此外，介绍从蠕变疲劳裂纹萌生到扩展的蠕变疲劳可靠性分析方法。最后，对本领域今后的发展方向进行了展望。

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三维损伤容限设计：离面约束理论与疲劳断裂准则

于培师, 赵军华, 郭万林

机械工程学报. 2021, 57(16): 87-105. https://doi.org/10.3901/JME.2021.16.087

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损伤容限设计是为保证含裂纹结构安全而发展的抗疲劳断裂设计方法。其核心思想是：承认构件中存在初始裂纹，基于断裂力学理论对裂纹疲劳扩展寿命和结构剩余强度进行分析和试验验证，并结合定期检查，保证结构在服役中裂纹不会发生失稳扩展。对于承受交变载荷的结构，如飞机、轮船、压力容器等，损伤容限设计思想已成为保证大型装备服役安全性和经济性相统一的科学设计理念。在回顾飞机结构强度设计理念发展的基础上，总结了损伤容限设计思想的科学内涵；阐明了损伤容限设计的理论基础—断裂力学—由二维理论发展到三维理论的必要性；详细介绍了三维损伤容限设计的理论、方法与应用。最后，对损伤容限设计的进一步发展作了简要展望。

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结构完整性分析中的多尺度力学方法

孙李刚, 凌超, 陈浩, 李东风

机械工程学报. 2021, 57(16): 106-121. https://doi.org/10.3901/JME.2021.16.106

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结构完整性分析一直是机械工程和力学等领域专家学者研究的重要课题。目前在工程装备的设计和评估中应用的安全规范大都是经验性的，亟需开发一种严谨且准确的力学分析方法，不仅可以提高结构完整性评估的精度，还可以安全地提高装备的运行效率。多尺度力学方法可以从材料在不同空间尺度上的微观结构出发，对材料的力学行为进行研究，是能从基础底层推动结构完整性分析的关键。着重回顾近年来关于金属结构材料方面多尺度力学方法的相关研究成果。首先，以分子动力学方法作为微尺度研究方法的代表，介绍金属结构材料的微观变形和断裂机制研究进展。然后，以晶体塑性的连续介质理论为代表，介绍以塑性变形的物理机制和晶体学特征为基础的多尺度力学方法，这种方法考虑晶体弹塑性变形行为的各向异性，具有坚实的物理基础，是一种具有高度可靠性的结构完整性分析方法。最后，笔者就多尺度力学方法目前面临的研究难点和未来发展方向进行了简要讨论。

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涡轮盘合金氧化-疲劳裂纹扩展机理和寿命预测研究进展

江荣, 吴常皓, 万煜伟, 张禄, 宋迎东

机械工程学报. 2021, 57(16): 122-131. https://doi.org/10.3901/JME.2021.16.122

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航空发动机涡轮盘在其服役过程中往往在高温燃气环境下承受热载荷和机械载荷共同作用，最终因疲劳、蠕变以及氧化的交互作用而失效。随着高推重比航空发动机的发展和涡轮前温度的提高，氧化损伤对涡轮盘表面疲劳裂纹扩展的影响愈加显著，往往可使疲劳裂纹扩散速率提高1～2个数量级。综述氧化损伤对涡轮盘用高温合金疲劳裂纹扩展的影响以及疲劳裂纹尖端氧化损伤机理，分析裂纹尖端疲劳损伤、氧化损伤和动态脆化影响裂纹扩展的竞争机制，梳理考虑氧化损伤效应的疲劳裂纹扩展模型和数值模拟方法，对实现氧化-疲劳载荷作用下裂纹扩展速率的准确预测所还需开展的工作进行展望，以期有助于促进航空发动机涡轮盘损伤容限设计方法和工具的发展。

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蠕变断裂：从物理失效机制到结构寿命预测

王康康, 王小威, 温建锋, 张显程, 巩建鸣, 涂善东

机械工程学报. 2021, 57(16): 132-152. https://doi.org/10.3901/JME.2021.16.132

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蠕变断裂是高温部件最主要的失效模式之一，其特点在于失效前难见征兆，往往造成灾难性后果。澄清材料蠕变失效的微观物理机制，建立恰当的蠕变寿命预测模型是解决高温结构完整性评定、蠕变全寿命设计与运行维护的关键问题。从蠕变失效的微观物理机制出发，以蠕变寿命预测方法为落脚点，详细阐述蠕变孔洞形核长大机理，对描述蠕变损伤行为的力学模型进行归纳整理，总结对高温结构及其焊接接头进行蠕变寿命预测所需的基础理论与关键技术，对基于数字孪生技术的寿命预测方法进行展望。

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金属多轴疲劳行为与寿命预测研究进展

孙国芹, 尚德广, 王杨

机械工程学报. 2021, 57(16): 153-172. https://doi.org/10.3901/JME.2021.16.153

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多轴疲劳损伤行为和寿命预测研究关系着复杂加载条件下金属结构件的服役安全，一直受到科学和工程领域的重视。总结多轴低周和高周疲劳试验性能测试一般过程和疲劳行为研究，重点论述多轴非比例加载对低周疲劳和高周疲劳行为的影响，受加载路径，加载载荷和材料类型的影响，非比例加载对材料低周疲劳循环硬化行为和疲劳寿命的影响有差异，对低周疲劳和高周疲劳表现的疲劳行为的影响也有差别，作用机理不尽一致。单轴本构关系通过引入非比例度因子、修正循环强度系数或将多轴加载时的应变等效为单轴应变等方式可推广到多轴疲劳领域。基于应力、应变、能量、临界面和临界面应变能密度法的多轴疲劳寿命预测模型在文中做了综述，疲劳损伤参量中包含能量项的一些多轴疲劳寿命预测方法常被用于多轴低周和高周疲劳寿命预测。缺口件多轴疲劳寿命可采用多轴损伤参量结合局部应力应变法、应力梯度法、应力场强法及临界距离法等进行预测。

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机械结构概率疲劳寿命预测研究进展

赵丙峰, 廖鼎, 朱顺鹏, 谢里阳

机械工程学报. 2021, 57(16): 173-184,197. https://doi.org/10.3901/JME.2021.16.173

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随着现代机械设计理论不断完善及对产品安全运行需求的提升，对结构的可靠性指标也提出了更高的要求，推动了概率疲劳寿命分析方法的发展。在机械结构的概率疲劳寿命评估过程中，充分考虑各类不确定性因素，进行结构疲劳进程驱动参数与概率疲劳寿命分布统计分析，是概率统计学和复杂结构计算力学交叉领域的热点问题。旨在系统阐释概率疲劳寿命评估发展史及基本分析流程，剖析相关概率分析理论、方法、模型及发展现状与瓶颈，主要内容涵盖概率疲劳问题的不确定性来源、疲劳进程驱动参数表征及寿命评估模型构建与应用三方面内容。总结、梳理该领域的最新研究成果并对概率疲劳寿命评估的未来发展趋势及关键问题作出展望。

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核电管材奥氏体不锈钢热机械疲劳行为研究进展

李兵兵, 郑一铭, 余伟炜, 陈旭

机械工程学报. 2021, 57(16): 185-197. https://doi.org/10.3901/JME.2021.16.185

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对过去50年发表的核电管材奥氏体不锈钢热机械疲劳行为研究的文献进行综述。首先对热机械疲劳测试概念的准确定义进行阐述，并对国内外主要的热机械疲劳测试方法标准化的历程进行了系统回顾。对热机械疲劳加载下奥氏体不锈钢循环力学响应的非对称性特征进行描述。对高温疲劳加载下奥氏体不锈钢的主要变形及损伤机理，动态应变时效、氧化和蠕变的典型表现形式、微观作用机理及其与疲劳损伤的交互作用进行了详细分析。依据温度循环的最高值与材料蠕变损伤发生的临界温度间的关系，分别讨论了低温区和高温区内材料的热机械疲劳寿命行为。低温区内材料的主导失效机理是纯疲劳或氧化-疲劳交互作用，高温区内蠕变-氧化-疲劳三者间的复杂交互作用决定了材料的疲劳寿命行为。在归纳总结的基础上，对核电管材奥氏体不锈钢的热机械疲劳研究提出了几点展望。

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宏/微观循环本构模型及其在工程结构中的应用

孙莉, 郭素娟, 苑光健, 陈杨熙, 张显程, 涂善东

机械工程学报. 2021, 57(16): 198-217. https://doi.org/10.3901/JME.2021.16.198

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人类工业文明发展至今，石油化工、核电、航天航空等领域取得了显著的技术进步。在实际服役过程中，诸多复杂关重机械装备往往承受室温或高温循环载荷的作用。因此，对关重装备构件进行结构完整性评估，发展适用而精确的循环本构模型是其中必须且关键的一环。回顾和总结宏观唯象循环本构模型、细观循环本构模型和晶体塑性循环本构模型的发展历史和最新研究进展，针对各类模型的有限元实现方法和结构应用进展进行综述，总结和比较了各种模型在工程应用的优势和不足，并对未来的发展趋势进行展望。

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钎焊接头的蠕变损伤与寿命预测

张玉财, 涂善东, 罗云, 蒋文春, 张显程

机械工程学报. 2021, 57(16): 218-234,247. https://doi.org/10.3901/JME.2021.16.218

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钎焊连接技术被广泛应用于航空航天、核电等领域的高效紧凑换热器制造中。高温高压工作条件下，蠕变及蠕变损伤引起的裂纹扩展是换热器中钎焊接头的主要失效方式之一。以高效紧凑换热器中常用的Inconel625/BNi-2及C276/BNi-2钎焊接头为研究对象，对其蠕变及蠕变裂纹扩展扩展行为进行了研究，获得钎焊接头的蠕变变形及裂纹扩展规律，澄清其蠕变及蠕变裂纹扩展失效机理。同时结合蠕变损伤本构模型和试验，对钎焊接头的蠕变损伤与寿命预测进行研究与综述，讨论钎焊工艺、扩散区性能及尺寸对钎焊接头蠕变裂纹扩展行为的影响规律，建立钎焊接头蠕变拘束参数，实现钎焊接头蠕变裂纹扩展行为尺寸效应的统一拘束表征，进而为基于材料-组件-装备一体化的寿命预测方法提供理论基础。

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陶瓷基复合材料结构的动力学强度设计方法：研究现状及展望

高希光, 韩栋, 宋迎东, 张盛, 于国强

机械工程学报. 2021, 57(16): 235-247. https://doi.org/10.3901/JME.2021.16.235

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对陶瓷基复合材料动力学强度设计方法的研究进展进行综述。介绍陶瓷基复合材料的应用现状，分析陶瓷基复合材料动力学强度设计的关键因素，包括多尺度建模方法、本构模型、强度模型和结构动力学分析。比较陶瓷基复合材料的多尺度表征中常采用的单一尺度法和均匀化方法，分析各自优缺点。介绍陶瓷基复合材料常用的本构模型，并指出陶瓷基复合材料结构振动分析需要更合适的本构模型。介绍陶瓷基复合材料常用的强度模型，并指出编织复合材料在复杂应力作用下强度的预测是当前主要难点。随后，介绍当前陶瓷基复合材料结构振动分析方法，主要包括模态分析和时域响应计算，并阐述了各自的优缺点。最后，对陶瓷基复合材料结构的动力学强度研究的发展趋势进行展望。

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电子封装可靠性：过去、现在及未来

陈志文, 梅云辉, 刘胜, 李辉, 刘俐, 雷翔, 周颖, 高翔

机械工程学报. 2021, 57(16): 248-268. https://doi.org/10.3901/JME.2021.16.248

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电子封装是芯片成为器件的重要步骤，涉及的材料种类繁多，大量材料呈现显著的温度相关、率相关的非线性力学行为。相关工艺过程中外界载荷与器件的相互作用呈现典型的多尺度、多物理场特点，对电子封装的建模仿真方法也提出了相应的要求。在可靠性验证方面，封装的失效主要包括热-力致耦合失效、电-热-力致耦合失效等。随着新型封装材料、技术的涌现，电子封装可靠性的试验方法、基于建模仿真的协同设计方法均亟待新的突破与发展。

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机械结构健康监测综述

房芳, 郑辉, 汪玉, 邱雷

机械工程学报. 2021, 57(16): 269-292. https://doi.org/10.3901/JME.2021.16.269

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随着我国航空航天飞行器、高速列车、核电风电及舰船深潜等机械装备技术的发展，机械结构的高效快速运维对保障机械装备的高性能、高可靠性运转至关重要。机械结构健康监测能够在结构试验和服役全过程中对结构状态进行监控，实现精细化视情维护，提高结构的可靠性并降低运维费用，故机械结构健康监测技术备受重视。围绕机械结构健康监测，梳理其在航空航天、能源化工、风力发电、交通运输领域的发展现状，并对实现机械结构健康监测涉及的先进传感技术、监测系统及监测方法发展现状进行了总结和评述，最后对机械结构健康监测技术的发展趋势进行了展望。

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航空发动机部件激光冲击强化研究进展与展望

聂祥樊, 李应红, 何卫锋, 罗思海, 周留成

机械工程学报. 2021, 57(16): 293-305. https://doi.org/10.3901/JME.2021.16.293

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航空发动机部件服役环境恶劣、工作载荷复杂，容易发生高周疲劳断裂，严重影响发动机安全可靠性。激光冲击强化是一种新兴的表面塑性强化技术，可通过残余压应力预制和微观组织改善显著提升金属材料高周疲劳性能，已在航空发动机部件生产和修理中实现了批量化应用。将深入讨论风扇/压气机叶片、涡轮叶片、涡轮盘、机匣、作动筒、导管、齿轮等部件激光冲击强化研究进展和应用情况及有待解决的问题，分析总结近年来航空发动机部件激光冲击强化研究历程及特点，并就未来设备、机理、工艺和应用等方面研究进行展望，希望通过全行业、全技术链的力量创新协同，推动激光冲击强化技术在我国航空发动机部件上的规模化工业应用。

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焊接残余应力计算、测试与调控的研究进展

蒋文春, 罗云, 万娱, 金强, 张显程, 涂善东

机械工程学报. 2021, 57(16): 306-328. https://doi.org/10.3901/JME.2021.16.306

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随着全球能源结构调整及能源利用效率的提高，石化、核电等承压设备日益朝着大型化方向发展，焊接作为一种传统连接工艺，依然是大型承压设备制造的关键技术。然而，焊接不可避免带来残余应力，是引发应力腐蚀、疲劳、断裂等失效的主要原因之一，对承压设备结构完整性及安全服役产生重要影响。因此，有效调控焊接残余应力是保障大型承压设备结构完整性的关键。而焊接残余应力作为一种“看不见、摸不着”的天生缺陷，其精准的计算方法和可靠的测试手段亦是实现其科学有效调控的基础。基于国内外研究成果以及笔者研究团队的研究工作，系统总结了近半个世纪以来在焊接残余应力计算、测试及调控等方面所取得的研究进展，分析工艺、材料与结构仿真三位一体的焊接残余应力集成计算方法研究现状，详细梳理各类焊接残余应力测试方法，总结其优缺点，而后对残余应力调控方法进行分类阐述，重点阐述了最近新出现的残余应力调控方法，并展望发展趋势。

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强塑均衡金属材料精准设计及制备

孙甲鹏, 贾云飞, 张勇, 韩静, 吴国松

机械工程学报. 2021, 57(16): 329-348,360. https://doi.org/10.3901/JME.2021.16.329

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由于长期存在的强度-塑性矛盾，开发强塑均衡的金属结构材料一直是结构材料领域追求的目标和研究热点。微观组织精准调控为强塑均衡金属材料的设计提供了有效的方法。系统梳理近年来国内外基于晶粒微观组织精准调控的强塑均衡金属材料设计策略的研究进展（涵盖均质纳米晶/超细晶结构、异质结构和梯度纳米结构）；详细介绍晶粒调控与其他强塑化方法结合的强塑均衡协同设计策略及上述微观结构的制备方法；最后对该领域面临的一些挑战和亟待解决的问题进行讨论和展望。

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焊接结构抗疲劳设计新方法与应用

王苹, 裴宪军, 钱宏亮, DONG Pingsha

机械工程学报. 2021, 57(16): 349-360. https://doi.org/10.3901/JME.2021.16.349

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与传统金属材料/小尺寸疲劳试样不同，焊接结构具有其独特的疲劳特性：裂纹萌生周期短、疲劳寿命主要消耗在裂纹扩展阶段、焊接结构疲劳具有尺寸效应，这些因素导致了动载荷应力幅值为焊接结构疲劳失效的第一驱动力。基于有限元分析的无网格敏感性结构应力法，可有效描述焊接接头位置的动载荷应力。该方法结合国际疲劳设计标准中S-N曲线族与裂纹扩展速率关系，提出一条能够统一描述不同几何形式、不同板厚接头疲劳行为的Master S-N曲线。该方法在2003年SAE“Fatigue Challenge”焊接结构疲劳预测挑战中获得最准确的结果，并已纳入ASME FFS-1标准等国际标准。结构应变方法则是在结构应力方法基础上提出，可以进一步统一描述不同材料焊接构件的高/低周疲劳性能的疲劳评估方法。该方法采用Master E-N曲线将高周疲劳与低周疲劳分析方法统一。目前此方法已经应用于轨道交通、正交异性桥、重型装备等大型复杂焊接结构的疲劳设计与服役寿命预测中，可量化分析焊接变形、焊缝尺寸、熔透率等因素的影响，实现针对复杂焊接结构/接头的抗疲劳设计。

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2021年, 第57卷, 第16期　
刊出日期：2021-08-20

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