面向国家重大需求和世界科技前沿，长期围绕“关键工程材料和先进智能材料的多场耦合循环本构关系和疲劳失效问题”开展基础研究，基于“通过实验揭示新规律→构建循环本构关系→发展疲劳寿命评估新理论”的研究思路，开展了系统的实验和理论研究，提出了新概念、建立了新理论，为核电、轨道交通、航空航天等领域重大工程装备的服役安全评估提供了理论基础。

学术成绩一：揭示了核反应堆结构材料高温棘轮行为演化特征，建立了描述高温棘轮行为的粘塑性循环本构关系。

反应堆结构材料长期承受热-力耦合循环载荷作用，棘轮-蠕变交互作用非常显著，经典的塑性本构模型或蠕变模型无法进行合理预测。针对核反应堆关键结构材料高温循环塑性变形行为演化特征复杂、影响因素众多、理论模型预测精度不足的难题，通过长期深入的实验和理论研究，取得如下创新成果：

创新点1：揭示了核反应堆结构材料的高温棘轮行为演化规律及其对环境温度、加载速率和保持时间的依赖性，积累了丰富的材料塑性性能数据。

针对316、Inconel690、S508-III等核反应堆结构材料开展了系统的高温循环变形实验，揭示了环境温度、加载速率、保持时间和塑性耗散生热等因素对循环塑性变形的影响规律，即：材料棘轮行为具有明显的温度依赖性，且在一定温度区间出现的动态应变时效效应对棘轮变形有明显抑制作用；材料棘轮行为依赖于加载速率和保持时间，特别是在高温环境下，棘轮变形的大小随加载速率的降低和峰谷值保持时间的增加而明显增加；在较高的加载速率下，塑性耗散生热导致的热软化将加速棘轮变形的增长。

创新点2：充分考虑粘塑性变形和蠕变变形的协同贡献，建立了合理描述材料高温棘轮-蠕变交互作用的粘塑性循环本构关系，弥补了经典模型对时间相关棘轮行为预测的不足。

为了克服传统的统一粘塑性本构关系在低加载速率和应力保持条件下无法描述材料明显粘塑性变形的不足，根据实验揭示的棘轮-蠕变交互作用特征，充分考虑粘塑性和蠕变变形的协同贡献，在统一粘塑性框架下发展了新的、具有静力恢复项的非线性随动硬化律，建立了合理描述材料高温棘轮-蠕变交互作用（即时间相关棘轮行为）的粘塑性循环本构关系。

创新点3：考虑材料在大变形循环过程中的塑性耗散生热机制，构建了有限变形下热-力耦合循环本构关系，拓展了循环本构关系的适用范围。

在实验研究的基础上，基于热力学定律和对数应力率，将传统小变形框架下的循环本构关系在大变形框架下进行了拓展，构建了严格自洽的大变形热-力耦合循环本构关系，对大变形下反应堆关键结构材料的棘轮效应、Swift效应和塑性耗散生热进行了合理预测。

学术成绩二：揭示了形状记忆材料相变与循环变形行为的交互作用及其热-力耦合特性，建立了热-力耦合循环本构关系。

形状记忆材料作为国家“十四五”规划大力发展的高端智能材料，其特有的相变行为以及强烈的温度依赖性，导致其循环变形行为呈现出强烈的非线性、非平衡和热-力耦合效应。已有研究存在现象揭示不全面、机理认识不清楚和理论构建不系统等不足。针对形状记忆材料热-力耦合循环变形行为演化机理及理论描述这一研究难题，取得如下创新成果：

创新点1：揭示了形状记忆合金独特的相变棘轮行为及其热-力耦合特性，建立了热-力耦合循环本构关系和疲劳失效模型，拓展了循环本构关系研究的材料范畴。

针对已有研究在应力控制循环变形行为研究方面的不足，通过系统的应力控制单轴/多轴循环加载实验，首次提出了形状记忆合金相变棘轮行为的定义，揭示了其显著的热-力耦合特性，阐明了相变棘轮-疲劳交互作用的行为特征和演化机理。同时考虑不完全马氏体相变和相变诱发塑性机制以及相变棘轮行为的加载水平依赖性，引入合理反映相变应变和相变诱发塑性应变演化的流动方程，克服了已有本构理论仅考虑单一变形机制的不足；引入形状记忆合金循环变形过程中的内部热生成（相变潜热和非弹性变形耗散生热）和外部热交换之间的竞争机制（率相关性的物理本质）以及温度振荡对材料相变性能参数的影响，建立了精确描述形状记忆合金率相关相变棘轮行为的热-力耦合循环本构关系，破解了已有理论模型难以同时考虑相变-位错交互作用和热-力耦合效应的难题。厘清了相变、相变诱发塑性和马氏体重定向对总损伤的贡献，提出了损伤演化方程和多轴损伤失效判据，建立了形状记忆合金疲劳失效模型，准确预测了合金单轴/多轴疲劳失效寿命，为形状记忆合金器件的服役性能评价提供了理论基础。

创新点2：揭示了热-力变形历史等因素对聚合物形状记忆效应的影响规律，建立了热粘弹性-相变统一型热-力循环本构关系，弥补了传统热粘弹性模型和相变模型各自为政的不足。

针对形状记忆聚合物热-力耦合循环形状记忆效应研究的不足，通过系统的单轴/多轴的循环变形实验，研究了热-力变形历史、应变率、应变幅、加载路径和温度对形状记忆效应的影响规律，获得了内应力与回复比之间的线性关系，发现了非均衡温度诱发的玻璃态转变温度滞后行为，证明了降温储存的内应力是形状回复的驱动力，建立了加载历史与分子链变形之间的关系，填补了形状记忆聚合物热-力耦合形状记忆效应机制不明的不足。基于热粘弹性理论和相变理论，同时考虑玻璃态的粘塑性变形行为和橡胶态的粘超弹性变形行为，引入变形的储存和释放机制，建立了热粘弹-相变统一型本构关系，实现了形状记忆聚合物在不同温度下率相关力学行为、跨玻璃态转变温度范围的相变行为和形状记忆效应的统一描述。进一步引入多松弛机制，考虑松弛时间随循环周次的演化以及变形储存和释放的循环演化，建立了描述循环形状记忆效应的热-力耦合循环本构关系。

学术成绩三：发展了三维轮轨弹塑性滚动/滑动接触理论和快速计算方法，建立了轮轨材料耦合损伤循环本构关系，提出了轮轨滚动接触疲劳寿命预测新理论。

随着我国重载铁路的快速发展，轴重、运量和发车密度不断提高，轮轨的服役环境日益严苛，轮轨滚动接触疲劳问题已成为制约重载铁路进一步发展的瓶颈问题。基于赫兹接触理论的传统轮轨滚动接触疲劳评估理论未考虑塑性变形及其演化对疲劳寿命的影响，无法准确预测复杂运营条件下的轮轨滚动接触疲劳寿命。为此，围绕重载铁路轮轨滚动接触疲劳寿命预测这一关键科学难题，开展了系统的实验和理论研究，取得如下创新成果：

创新点1：发展了三维轮轨弹塑性滚动/滑动接触理论和快速计算方法，突破了经典滚动接触模型无法考虑塑性变形的局限性。

考虑接触应力场在接触斑附近的高度集中性，基于等效夹杂法获取了塑性应变与本征应变之间的联系，基于伽辽金矢量法获得塑性应变所引起扰动场的解析解，通过回退-映射法实现加载过程中塑性应变的更新，从而发展了三维轮轨弹塑性滚动/滑动接触理论，解决了已有经典滚动接触理论模型不能考虑塑性变形的难题。将塑性应变所引起的扰动响应与接触面载所引起的弹性响应解相叠加，基于最小接触余能原理、共轭梯度法和快速傅里叶变换算法，提出了三维轮轨弹塑性滚动/滑动接触问题的快速计算方法。

创新点2：揭示了轮轨材料棘轮-疲劳交互作用机理，建立了非比例多轴耦合损伤循环本构关系，实现了本构关系和疲劳寿命预测模型的统一。

通过对U75V、U78CrV、U20Mn、CL60等重载铁路轮轨材料的全寿命棘轮行为和疲劳失效行为的实验研究，厘清了非比例加载路径等因素对棘轮行为和疲劳寿命的影响规律，结合微结构演化观测揭示了轮轨材料多轴棘轮-疲劳交互作用机理，弥补了重载铁路轮轨材料非比例多轴疲劳研究的不足。基于连续损伤力学框架，将总的损伤分为宏观弹性损伤和宏观塑性损伤两部分，并依据不同材料的损伤演化规律引入不同的损伤演化方程，发展了全寿命棘轮变形过程中总的损伤演化方程。在各向同性硬化和随动硬化律中引入非比例参数，建立了非比例多轴耦合损伤循环本构关系，实现了材料全寿命棘轮行为和疲劳失效寿命的统一预测。

创新点3：发展了三维轮轨滚动接触疲劳寿命评估新理论，破解了重载铁路钢轨滚动接触疲劳寿命预测难题。

基于所发展的三维轮轨弹塑性滚动/滑动接触理论和快速计算方法，可计算任意弹塑性参数下的全场应力分布。针对传统轮轨滚动接触疲劳分析方法不能合理考虑轮轨真实受力状态和裂纹扩展方向的不足，提出了SWT单参数应力度量方法，以应变幅和最大应力的乘积作为疲劳控制参量，在临界面上进行遍历，获取最大SWT参数来评估轮轨应力状态。结合轮轨弹塑性滚动/滑动接触理论、非比例多轴耦合损伤循环本构关系、失效判据和有限元方法，建立轮轨三维滚动接触疲劳寿命评估新理论，有力支撑了我国重载铁路的高质量运维和新一代钢轨研制。