自然科学基金指南

1、 零件与结构的失效与安全服役科学研究 机械零件与结构的失效规律、发展相应的安全评 价理论与安全保障技术。 零件与结构的失效依机械产品的类型与服役条件 的不同，可以包括变形失效（弹性与塑性变形）、 断裂失效（韧性断裂、脆性断裂、疲劳断裂、环 境断裂）、表面损伤失效（磨损、腐蚀、疲劳） 中的一种成多种。 零件与结构的安全服役在理论层面上包括结构强 度设计理论、断裂力学、损伤力学、疲劳理论、 腐蚀理论、磨损理论、可靠性理论和结构完整性 理论等学科基础； 在技术层面上包括安全试验与检测、安全监测与 控制、维修与再制造技术等。 尽管机械零件与结构的失效与安全服役的 研究本身并不着眼于机械产品功能的创新

2、与拓展，但几乎所有高技术机械产品的实 现都必须以其安全运行为前提，因此，零 件与结构的安全服役也成为现代机械工程 重要的“使能技术”。 面向机械产品安全运行，不断提高结构安 全检测与运行监控的智能化程度； 失效，是指机械产品丧失规定功能的现象。一般 来说，发生下列三种情况之一时，机械零件或结 构被定义为失效。 第一，完全不能继续服役，如断裂或扭曲；第二， 虽然还能运行，但已部分失去它原有的功能，如 旋转设备因磨损而产生振动，达不到原有的精度； 第三，虽然能运行，发挥原有功能，但因受损伤 而不能安全可靠地继续服役。 寿命预测是指通过科学的分析计算，预测零件或 结构失效（达到临界载荷、速度等）的时

3、间或循 环周次。 以失效机制为基础的寿命预测。关键零部件的失效能代表 整个系统失效，已知该零部件的失效机制的条件下，从该 失效机制的动力学特性来预测其剩余寿命，这是工程上常 用的方法之一。当零件的失效是单一的失效机制或由一种 失效机制起主要控制作用时，其剩余寿命的预测相对比较 简单，如疲劳寿命预测、蠕变寿命预测和磨损寿命预测等。 以可靠性物理模型为基础的寿命预测。根据所建立的可靠 性物理模型，通过确定特征值随时间分布和失效概率，预 测在要求的可靠度下的寿命。 以数理统计为基础的寿命预测。根据产品的试验数据和现 场数据，利用数理统计的方法，并结合实际使用及各种相 关因素给出产品寿命的过程。 机械

4、产品的修复或再制造是实现产品延寿 与制造过程节能降耗的重要技术基础。先 进的表面工程技术通过在损伤的零件表面 制备耐磨、耐蚀、耐高温、抗疲劳的涂层， 不仅恢复了零件尺寸、提升了零件性能， 而且延长了产品寿命。 机械产品的安全检测与在线健康监测是保障重大机械产品 安全服役的重要手段，在现有寿命预测技术不能准确预测 产品失效时间的情况下，它是确保产品安全服役的根本方 法。 结构安全检测是指通过无损或有损的物理或化学方法获得 结构材料内部的损伤信息，进而判断结构的安全状态。这 是实现机械零件与结构安全运行的重要基础，研究内容涉 及结构的力、声、光、电、磁、温度等信号的测量，以及 这些信号与材料损伤和

5、结构失效之间的关系。 许多无损检测技术（NDT)可用于结构的缺陷和损伤的检验， 如超声波成像、涡流测量、射线测量、磁性检测、声发射、 热成像和光纤测量等。其中不接触超声波检测、超声相控 阵技术、多探头涡流检测、导波检测、激光检测、红外检 测及检测信号的图像化、数字化、智能化还有很大的发展 空间。 有损的结构安全检测方法涉及对结构的破坏性或 半破坏性取样和对试样的实验室理化检验（如拉 伸、冲击、弯曲、金相和成分分析等）。 结构健康监测是利用现场无损传感技术和先进传 感网络，在线实时地获取与结构健康状况相关的 信息（如变形、应力、应变、模态和温度等）的 方法和技术，可以及时发现结构出现的任何异常

6、信息，警示安全隐患。 结构健康监测，是在基本无人工干预的条 件下，自动、在线、实时、连续地监测结 构状态，并根据结构状态参数的历史记录 数据，结合信息处理方法和力学建模方法， 提取特征参数，进而由专家系统自诊断软 件来诊断识别结构的健康状态。 结构健康监测涉及许多学科，如传感、信 号处理、通信、计算、结构力学与材料等， 特别是对结构损伤的识别涉及被诊断对象 的专业技术领域的科学知识。 失效评价与寿命预测的研究主要探索零件与结构 的失效规律，揭示失效过程的信息，以及零件与 结构破坏的临界值，并据此预测相关产品的寿命。 它涉及变形与损伤、疲劳与断裂、腐蚀与磨损、 寿命预测与安全评定等方面内容。在揭

7、示结构失 效规律和准确预测寿命的同时，应用新发现的知 识，可望改进机械产品的安全设计，促成新的安 全设计理论。 包括对断裂力学、实验力学、疲劳科学、腐蚀科 学、磨损理论以及结构完整性理论等学科。 华中科技大学李灏华中科技大学李灏 ：年代初，他开始 致力于断裂力学的研究与应用，并为断裂 力学在我国的普及做了大量工作。他编著 了断裂理论和断裂力学教材 天津大学贾有权：实验力学 北京航空航天大学高镇同：疲劳科学 2.修复与再制造 修复与再制造的研究内容贯穿产品的全寿命周期。在产 品设计阶段，要考虑产品的可维修性与再制造性设计（如 可拆卸性设计、可回收性设计和可再加工性设计等）；在 产品的服役阶段，常

8、常要考虑产品安全检测以及状态监测 与跟踪； 在产品的报废阶段，要进行零部件的失效分析及剩余寿命 演变规律的探索；在产品的修复与再制造实施阶段，需确 保产品的再制造质量以及后续运行的安全可靠性，针对不 同运行环境，发展抗疲劳、抗腐蚀、抗高温、抗磨损的先 进修复与再制造工艺。为此，修复与再制造的研究应包括 可维修性与再制造性设计、先进修复与再制造工艺、修复 与再制造部件的失效规律与寿命预测，以及质量检验方法 等。 核电装置长时间运行也是威胁设备安全的 因素，设备老化、腐蚀与出现缺陷情况常 有发生。经过20余年发展，我国已有11座 商用反应堆投入运行，设备在役检查中也 不时发现一些缺陷，但目前国内研

9、究工作 还不足以支持核电设备的失效评价、安全 检测与寿命预测。对此我国国家领导人曾 指示：“要抓紧制定我国核电建设法规和 标准，加强安全验证等基础性工作。 工程实践表明，疲劳、蠕变和脆化等会导 致零件与结构严重劣化，所造成的破坏往 往是灾难性的。而腐蚀与磨损的失效造成 的经济损失则十分惊人，粗略统计表明： 我国因腐蚀、摩擦磨损造成的损失占到GDP 的9.5%，而发达国家一般只达到4%-5%。 过去的安全评定与延寿技术的实践也表明： 通过寿命预测技术、先进再制造技术以及 安全监测技术的实施，大多数机械零件和 结构的失效是可以避免的。 在过去的一百余年里，人们针对不同材料与结构 的破坏规律曾经提出

10、了不下百种强度模型或准则， 它们构成了近代强度理论的基础，使得大型机器 与装置的建造成为可能，为20世纪制造业突飞猛 进地发展奠定了重要基础。 但是，随着机械零件与结构服役条件的日益复杂， 失效形式也日显多样，传统的强度理论已很难解 释复杂多样的失效模式，为此基于失效机制的寿 命预测理论逐渐取代基于强度准则的设计理论已 成为必然趋势。 对于机械结构单一形式的失效与寿命预测，目前 已形成较为完整的理论和技术体系，先后提出了 多个描述裂纹状态的断裂参数与失效评价方法。 近年来的研究工作更多地考虑了复杂结构和制造 工艺的影响，如大型焊接构件、制造缺陷和表面 加工质量等对寿命的影响。 诸多基础研究成果

11、正在向技术层面转化，在欧盟9 个国家多个研究机构长期研究工作基础上形成的 欧洲工业结构完整性评定方法（SINTAP )采用了 失效评定图（FAD）和裂纹推动力技术（CDF）， 近年进一步考虑了焊接、薄壁结构及拘束的影响， 已逐渐发展成为欧盟统一的“合乎使用性”规程 （FITNET-FFS），可以应用于各种承力结构的安 全评定，如承压设备、管道、航天结构、旋转结 构、海岸工程结构乃至医用植人结构等。 我国也形成了若干结构完整的标准或规程。 但是就总体而言，我国标准与工业发达国 家相比，其科学基础还相对薄弱，缺乏足 够试验数据的支持，一般只能处理常温下 线弹性断裂、弹塑性断裂和疲劳失效评定 问题，

12、对复杂环境下的失效还无能为力。 此外，由于机械产品失效模式的复杂多样 性，目前还难以形成基于寿命预测的设计 标准，无法在源头上保障机械产品的服役 安全性能。 高温与复杂介质环境的共同作用对核电设备的寿 命有显著的影响。一般核电站设备的设计寿命为 40年，而目前最先进的AP1000已要求延长到60年。 但从近30年国内外核电站实际运行情况看，相当 一部分核电设备和结构达不到电站的设计寿命， 实际运行寿命往往仅达设计寿命的50%左右，大多 因高温疲劳、辐射、腐蚀等各种不易克服的损伤 或维修效果不佳而提前退役。核反应堆容器（RPV） 是其中最为关键的设备，在安全上处于特殊地位。 决定RPV寿命的主要问题是辐照脆化和应力腐蚀开 裂。而应力腐蚀开裂在其他核承压设备