机械装备服役损伤的早期检测评价与调控-上海科技奖励.DOC

项目名称：机械装备服役损伤的早期检测、评价与调控 提名意见： 我单位认真审阅了该项目推荐书及附件材料，确认全部材料真实有效，相关栏目均符合国家科学技术奖励工作办公室的填写要求。 该项目瞄准机械装备损伤早期防控的瓶颈，开展了长期的系统研究，建立了一套机械损伤早期发现、状态甄别与调控的理论和方法体系，具体为：建立了设备损伤早期检出和定量的非线性超声导波理论与方法；建立了机械结构安全评价的时间相关失效评定图，构筑了多破坏模式的协同评价原理；揭示了表界面化学-力学作用机制，提出了设备损伤的表界面调控和增益方法。 出版相关专著3部，形成与发现点相关的国家及行业标准5项，发表论文98篇，总他引2956次，申请发明专利13项，授权8项。20篇主要论著SCI他引966次（总他引1492次），8篇代表性论文SCI他引651次（总他引975次）。在物理声学检测领域发表的论文数占国际三大应用物理杂志（APL,JAP,JPD）1999年以来所发表本方向论文总量的70%。所建立的时间相关失效评定图被纳入行业标准JB/T 12746，小冲杆测试理论与方法被国家标准GB/T 29459-2012以及欧盟小冲杆测试技术规范CWA15627采用，与欧盟小冲杆测试标准化工作组建立了长期合作关系，担任ASME BPV VIII Standards Committee中国工作组成员，并合作完成了捷克电厂在役设备的在线寿命评估。 该项目在机械设备安全服役理论的发展与应用方面作出了贡献。 对照国家自然科学奖授奖条件，推荐该项目申报201年度国家自然科学奖二等奖。 本项目属于机械工程的结构安全服役领域。 设备服役寿命的80%以上消耗于宏观缺陷出现之前，其早期防控是避免各类事故的最有效手段。然而损伤早期主要表现为机械性能退化的非线性特征，是传统检测和评价方法面临的难点。本项目瞄准机械装备损伤早期防控的瓶颈，开展了长期的系统研究，建立了一套机械损伤早期发现、状态甄别与调控的理论和方法体系。主要科学发现如下： （1）建立了设备损伤早期检出和定量的非线性超声导波理论与方法。首次从理论上证明了超声兰姆波（导波）存在积累二次谐波并实现了实验证明，被10余个国际研究组确认，解决了30余年未能突破的难题；建立了微缺陷与非线性超声导波相互作用的介观模型，揭示了位错结构演化和超声导波非线性效应的内在关联；建立了蠕变、疲劳、热老化等损伤机制下剩余寿命-超声非线性导波参量的关系曲线，实现了缺陷检出精度比传统超声提高一个数量级以上。 （2）建立了机械结构安全评价的时间相关失效评定图，构筑了多破坏模式的协同评价原理。揭示了微试样与传统试样测量数据转化之间的尺寸效应，建立了蠕变、断裂韧性等强度参量的跨尺寸转换模型，解决了服役设备性能参数难以获取的瓶颈。建立了基于损伤的失效评定曲线和复杂结构的极限载荷解，被英国两院院士Ainsworth等专家称之为“Xuan’s solution”和结构状态“快速评价的工具”，实现了多失效模式的协同评价。 （3）揭示了表界面化学-力学作用机制，提出了设备损伤的表界面调控和增益方法。发现外力与非均匀扩散的相互促进规律，建立了堆垛应变能和表面电子功修正的Gibbs方程，较好解释了高温结构退化和表界面强化中的化学-力学现象。根据理论预测，提出了激光辅助渗氮和纳米TiO2复合涂层表界面损伤修复和性能增益新工艺，实现了服役设备局部损伤的主动调控，为关键设备的寿命提升和局部性能优化及损伤调控提供了依据，新工艺方法被用于超超临界高压转子轴径堆焊和华龙一号核电汽轮机末级叶片表面强化。 出版相关专著3部，形成与发现点相关的国家及行业标准5项，发表论文98篇，总他引2956次，申请发明专利13项，授权8项。获2015年度上海市自然科学奖一等奖。20篇主要论著SCI他引966次（总他引1492次），8篇代表性论文SCI他引651次（总他引975次）。在物理声学检测领域发表的论文数占国际三大应用物理杂志（APL,JAP,JPD）1999年以来所发表本方向论文总量的70%。 研究成果先后被30多个国家700余位学者（包括50余位国际、国内两院院士在内）肯定性评价或跟踪，产生了广泛学术影响。如物理领域：美国三院院士、西北大学Achenbach教授指出我们“第一个（first）研究报道了各向同性介质中导波二次谐波产生的问题” ；机械领域：国际压力容器技术会议主席、韩国工程院院士Kim教授跟经典结果比较后指出“轩的解更加可靠”，并先后7次撰文拓展其应用；无损检测领域：NDTE Int.杂志副主编、美国佐治亚理工学院Jacobs教授在其系列性论文中20余次引用，在综述文章中指出“张等人（轩福贞的博士）将Hikata模型拓展后用于分析螺旋位错和刃型位错的非线性贡献量，…比Cash-Cai模型更加吻合有效