對于任何帶有運動部件的機器來說，微動都是一項工程設(shè)計挑戰(zhàn)。對于軸承、齒輪齒和翼型根槽等部件來說，這是一個特別大的問題，因為這些部件承受著高負荷，并且處于動態(tài)或振動接觸條件下。當高壓條件施加到稱為“床層邊緣”的區(qū)域的表面時，就會發(fā)生微動損壞，該區(qū)域指的是接觸不連續(xù)的區(qū)域。

我們最近采訪了 McMillian 博士，進一步了解了她對材料疲勞建模的看法。以下是采訪摘錄。

拉伸和壓縮等各種載荷條件如何影響材料響應？這種理解如何指導新模型和方法的開發(fā)？

在材料科學中，材料對載荷條件的響應至關(guān)重要。通常，在載荷作用下，材料可以受到拉伸和壓縮。然而，在接觸載荷作用下，主要的影響是壓縮。值得注意的是，壓縮后，一些殘余塑性會在殘余應力場中引起一定程度的張力，盡管這通常很小。我的模擬顯示等效塑性應變的產(chǎn)生有限，這讓我重新考慮了我使用的應變硬化模型。

在疲勞分析中，R 因子（表示壓縮與拉伸的比率）至關(guān)重要。不同的負載情況會顯著影響疲勞壽命。我的模型（尤其是在接觸負載情況下）表明 R 因子不平衡，主要表現(xiàn)為拉伸。這種偏差促使我探索棘輪效應，這種效應發(fā)生在未完全逆轉(zhuǎn)的循環(huán)負載中。棘輪效應會顯著影響材料疲勞，尤其是對此類負載歷史敏感的材料。

材料模型（包括基于 Mises 標準描述塑性的 Johnson-Cook 模型，具有硬化行為、應變率依賴性和溫度依賴性）在硬化規(guī)則方面的方法各不相同。這些規(guī)則通常取決于加載歷史和應變率。在探索各種模型時，我正在考慮是否采用非線性各向同性模型或其他模型，同時考慮諸如 Bauschinger 效應之類的因素，該效應描述了材料的應力-應變特性如何因內(nèi)部應力分布而變化。

這種理論探索引發(fā)了實際考慮。例如，調(diào)整一臺簡單的硬度測試機來試驗不同的壓頭形狀和材料樣本可以提供有價值的數(shù)據(jù)。通過進行各種測試并使用具有目標函數(shù)的逆向工程優(yōu)化，可以將參數(shù)擬合到 Abaqus 等模擬軟件中的數(shù)學模型中。這種方法可以簡化材料表征，可能提供比當前做法更具成本效益的方法。

鑒于這些見解，我已提交專利申請以保護這種新方法。目標是將理論預測與不同負載條件下的實際材料響應相一致，從而增強我們對材料行為的理解和表征。

將數(shù)學和計算模型與傳統(tǒng)工程方法相結(jié)合如何增強對材料的理解，特別是關(guān)于微動疲勞的理解？

我的目標是強調(diào)確定導致系統(tǒng)故障或材料性能下降的主要因素的重要性。了解這些故障的根本原因有助于在解決磨損和疲勞問題時做出更明智的決策。具體來說，我指的是微動疲勞等現(xiàn)象，即部件之間反復接觸和摩擦會導致微觀結(jié)構(gòu)損壞，表現(xiàn)為點蝕或表面性能下降。將我們對這些故障的理解分為三個階段可能會有所幫助。

1. 傳統(tǒng)上，工程方法主要是描述性的，側(cè)重于對故障組件進行事后分析以推斷故障模式，然后進行設(shè)計以避免故障。

2. 然而，更現(xiàn)代的方法超越了簡單的觀察。在過去的 50 年左右，這種方法一直遵循結(jié)構(gòu)化的測試程序，如果你愿意的話可以稱之為“測試金字塔”，其中在測試試樣、組件、組件和產(chǎn)品級別執(zhí)行多項測試。進行多次測試的目的是建立統(tǒng)計信心，因為無法準確預測疲勞故障。在不同級別進行測試的目的是確保負載應用在統(tǒng)計上是現(xiàn)實的。統(tǒng)計方法是這種方法的基石，用于預測故障的可能性和時間；這是一個巨大的測試，因為對疲勞的理解核心尚不清楚。

3. 我的工作目的是更好地理解這個關(guān)鍵點，使已知的科學（彈性理論和可驗證的合理塑性模型）與可觀察的事實（制造過程中或作為自然部分出現(xiàn)的材料的幾何特征）相適應，并且當疲勞可以被理解為一門“科學”而不是統(tǒng)計測量時，在科學基礎(chǔ)上建立材料樣品測試和驗證測試程序。

“所有科學要么是物理學，要么是集郵”這一模因歸功于歐內(nèi)斯特·盧瑟福。這似乎對其他科學不尊重，但我認為所表達的觀點更為微妙。物理學的基本觀點是，基于另一尺度的行為模型，可以預測或至少理解一維尺度上的物理事物的行為。此類模型通常涉及數(shù)學。

因此，就彈性理論而言，這是基于對化學鍵（原子和分子尺度）的理解而理解的，化學鍵又為晶體結(jié)構(gòu)（納米尺度）的概念提供了信息，而晶體結(jié)構(gòu)又為彈性模量（宏觀尺度）的概念提供了信息。張量微積分的數(shù)學知識使我們能夠?qū)腆w的力和變形進行計算建模。

應力和應變的概念僅僅是數(shù)學抽象，盡管它們很有用。同樣，對塑性的理解可以追溯到原子或納米尺度，但理解和建模步驟更為復雜。合金能夠執(zhí)行其設(shè)計的工程任務(wù)（例如疲勞強度），因為將其他元素混入材料中會以有益的方式破壞晶體結(jié)構(gòu)。宏觀尺度特性就是由此產(chǎn)生的。

因此，我試圖做的是取代簡單的觀察-預測，這是一種“集郵”式的科學行為。“測試金字塔”概念（在試樣、組件、組裝、產(chǎn)品層面進行多次測試）也是一種“集郵”式的行為：每次測試都是一次簡單的觀察。統(tǒng)計分析是一種數(shù)學行為，它確實將一個尺度與另一個尺度聯(lián)系起來，從試樣到產(chǎn)品，但即使是一個微小的測試試樣也是宏觀尺度：沒有有意義的物理變化，只有復雜性變化。

通過將宏觀幾何和微觀幾何特征聯(lián)系起來，然后根據(jù)已建立的彈性和塑性原理（以原子和納米尺度理解為基礎(chǔ)）建立模型，我試圖將材料疲勞科學從“集郵”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔锢韺W”。一旦成為物理學，建模就應該具有預測性，然后測試是為了驗證模型，而不是一個詳盡的“集郵”庫。

我的方法是整合數(shù)學和計算模型來預測和分析失效機制。它涉及開發(fā)和利用基于材料科學原理（例如彈性和塑性理論）的計算模型。這些模型模擬各種條件下的潛在應力響應和變形行為，本質(zhì)上提供了材料性能的數(shù)學近似值。

這種跨學科方法將工程學與物理學、數(shù)學和計算機科學融為一體。它要求全面了解機械方面以及計算模擬固有的精度和準確性。必須嚴格評估所采用的算法和數(shù)值方法的可靠性和有效性。

采用這種多方面的視角大有裨益。僅依靠基于測試和統(tǒng)計的工程方法會耗費大量資源且成本高昂。通過利用數(shù)學和計算技術(shù)，我們可以減少對物理測試的依賴，從而獲得經(jīng)濟高效且省時的解決方案。這種方法可以進行更有針對性的測試和更精細的分析，從而提高獲得見解的能力，并以更高的準確性和更少的開支做出預測。