用于识别换热器三周期最小表面结构疲劳损伤的直流电势降方法

《Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures》：Direct Current Potential Drop Method for the Identification of Fatigue Damage in Triply Periodic Minimal Surfaces Structures for Heat Exchangers

疲劳寿命评估|直接电流电势降|裂纹扩展监测|Triply Periodic Minimal Surface|热补偿算法|轴刚度对比|断裂表面分析|实验验证|多尺度裂纹检测|热力耦合效应

　　在当今材料科学和工程领域，随着对高性能、多功能材料的需求不断增长，Triply Periodic Minimal Surface (TPMS) 网格结构因其独特的几何特性和物理性能而受到广泛关注。TPMS 网格结构是一种由周期性重复的单元格组成的三维结构，其设计灵感来源于自然界中的某些结构，如蜂窝和骨骼，能够实现优异的机械性能、热传导能力和轻量化特性。这些结构在航空航天、生物医学和热交换等应用中展现出巨大潜力，特别是在热交换器领域，其复杂的几何形态可以显著增加单位体积的热交换表面积，从而提升热传递效率。然而，由于热交换器在实际运行中可能面临动态载荷，如压力波动、温度变化和振动，因此其对疲劳失效的敏感性成为一个重要的研究课题。

本文旨在提出一种基于直流电位降（Direct Current Potential Drop, DCPD）技术的疲劳损伤监测方法，用于检测 TPMS 网格结构中的操作性失效条件。操作性失效被定义为单个贯穿厚度的疲劳裂纹的出现，这种裂纹会导致流体间的污染或泄漏，从而影响热交换器的正常运行。现有的疲劳监测方法，如轴向刚度下降，虽然在某些情况下可以用于评估结构损伤，但其在早期裂纹检测方面存在局限性。因此，本文通过实验和数值模拟相结合的方式，验证了 DCPD 方法在 TPMS 网格结构疲劳测试中的有效性，并进一步探讨了其在不同应力水平下的表现。

为了实现这一目标，研究团队开发了一种创新的 DCPD 测试设置，包括一个专门设计的 LabVIEW 程序，用于实时信号处理和温度补偿。该程序能够自动分析 DCPD 信号，并在检测到裂纹发展时中断测试。此外，研究还通过实验测试中断后的断裂表面进行分析，以验证 DCPD 方法对早期裂纹传播的检测能力。通过这种方式，研究不仅评估了 DCPD 在裂纹检测中的准确性，还比较了其与其他传统方法（如轴向刚度下降）在疲劳寿命不同阶段的表现。

实验采用了一种名为 Schwartz-Primitive 的 TPMS 单元格结构，并在不同的应力水平下进行了疲劳测试。这些应力水平包括高、中、低和极低，以覆盖广泛的疲劳寿命范围。测试中，裂纹的出现被定义为通过整个壁厚的裂纹，这被视为结构失效的标志。为了减少温度变化对 DCPD 信号的影响，研究团队引入了一种基于实时温度数据的电位补偿策略。该策略通过测量样本的温度，并将其与电导率变化之间的关系进行校准，从而在信号处理过程中消除温度波动的干扰。这一方法在多个实验案例中得到了验证，结果显示，经过温度补偿后的 DCPD 信号波动显著减少，提升了裂纹检测的准确性。

在信号处理方面，研究团队采用了一种滑动窗口平均滤波技术，以减少噪声对测量结果的影响。该技术通过计算固定数量样本的平均值，能够有效平滑信号，同时保持对裂纹发展变化的敏感性。实验结果表明，选择适当的窗口大小（如 25 个样本）可以在减少噪声的同时，保留足够的信号响应能力，以便及时捕捉裂纹传播的早期迹象。此外，实验还发现，随着应力水平的增加，裂纹的出现速度加快，但裂纹的大小和分布情况也发生了变化。在高应力条件下，裂纹主要集中在结构的角落和边缘区域，而在低应力条件下，裂纹则更多地分布在结构的内部区域。这些发现表明，DCPD 方法在不同应力条件下均能有效检测裂纹的出现，并能够区分裂纹的传播阶段与结构失效阶段。

在比较不同监测方法的性能时，研究团队发现 DCPD 方法在早期裂纹检测方面具有显著优势。相比之下，轴向刚度下降方法在裂纹初期变化不明显，难以准确捕捉裂纹的形成和传播。因此，DCPD 方法被认为是更有效的监测手段。此外，实验还显示，当裂纹扩展到一定阶段时，DCPD 信号的变化与结构失效阶段之间存在明显的相关性，表明该方法能够用于评估结构的整体疲劳状态。相比之下，轴向刚度下降方法虽然能够反映结构的整体刚度变化，但其变化趋势并不稳定，容易受到环境因素的影响，如温度波动和载荷变化。

通过实验和数值模拟的结合，研究团队不仅验证了 DCPD 方法在 TPMS 网格结构中的可行性，还揭示了其在不同应力水平下的表现。实验结果显示，当裂纹扩展至某一特定阈值时，DCPD 信号的变化能够准确反映裂纹的传播情况，并且能够与断裂表面的裂纹形态相对应。此外，通过滑动窗口平均滤波和温度补偿，DCPD 信号的稳定性得到了显著提升，从而提高了裂纹检测的准确性和可靠性。

本文的研究结果表明，DCPD 方法在 TPMS 网格结构的疲劳监测中具有独特的优势。它不仅能够准确捕捉裂纹的形成和传播，还能够通过温度补偿和信号处理技术，提高监测的精度和实时性。相比之下，轴向刚度下降方法在早期裂纹检测中存在局限性，难以准确反映裂纹的微小变化。因此，DCPD 方法被认为是更适用于 TPMS 网格结构疲劳监测的手段。

未来的研究将致力于扩展该方法的应用范围，包括不同的 TPMS 网格结构和材料。此外，研究团队还计划将 DCPD 方法与其他先进的监测技术，如声发射（Acoustic Emission, AE）方法进行比较，以进一步评估其在 TPMS 结构中的适用性和优势。这些研究将有助于推动 TPMS 网格结构在更广泛的应用领域中的使用，特别是在需要高可靠性和精确监测的热交换器等设备中。