《Materials & Design》：Physical twins for structural safety evaluation: An experimental approach
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增材制造的物理孪生（Physical Twin）能够对含缺陷部件进行安全评估。真实部件中的内部缺陷可通过增材制造（Additive Manufacturing, AM）得以复制。孪生材料与参考材料在关键性能上达到高度相似。实验与数值结果之间的强一致性验证了物理
增材制造的物理孪生（Physical Twin）能够对含缺陷部件进行安全评估。真实部件中的内部缺陷可通过增材制造（Additive Manufacturing, AM）得以复制。孪生材料与参考材料在关键性能上达到高度相似。实验与数值结果之间的强一致性验证了物理孪生概念的有效性。
论文解读：基于增材制造物理孪生的结构安全评估方法
在核能、航空航天、汽车及化工等安全关键领域，机械设备的鉴定与认证具有严格标准。例如ASME QME-1标准规定了五种鉴定方法，其中试验鉴定因能直接反映部件真实行为而受到监管机构青睐，但传统制造工艺无法在试验件中可控地引入具有特定尺寸、几何形状、位置和取向的内部缺陷，从而限制了缺陷部件安全评估的试验能力。增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术可在线段内预先设计内部几何特征，为在试样中复现真实构件中检测到的内部不连续体提供了独特途径。本研究提出一种基于增材制造物理孪生（Physical Twin）的缺陷部件安全评估新方法：物理孪生被定义为一种面向特定目的的增材制造物理模型，能在几何、材料属性、载荷条件及内部缺陷方面充分复现真实构件，从而支持结构安全评估。与以往仅聚焦缺陷植入或检测的研究不同，该方法将受控缺陷复制、材料相似性、缺陷相似性、部件级试验及数值验证相结合，并通过核工程实例加以验证。
研究人员以比利时Doel 3和Tihange 2核电站反应堆压力容器（Reactor Pressure Vessel, RPV）中发现的氢致裂纹为案例。该容器由铁素体-贝氏体钢22NiMoCr3-7（相当于ASTM A 508 Grade 2）制造，其内部存在大量沿偏析线分布的准层状裂纹，现有评估方法不能充分解释混合模态载荷下的失效行为。为验证物理孪生概念，研究人员利用激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, L-PBF）技术，采用H?gan?s公司通过真空感应熔炼惰性气体雾化（VIGA）制备的15–45 μm粒径粉末，制造了缩比压力容器。通过优化工艺参数（激光功率400 W、扫描速度1200 mm/s、光斑直径62 μm、层厚30 μm、舱温150 ℃）及后热处理（900 ℃奥氏体化1小时，随炉缓冷至100 ℃，700 ℃回火480分钟，空冷），成功将增材制造态的马氏体组织转变为与锻造参考材料相似铁素体-贝氏体组织。
该研究采用的关键技术方法包括：L-PBF增材制造以实现内部缺陷的受控植入；通过化学分析、硬度测试、拉伸试验和数字图像相关（Digital Image Correlation, DIC）进行材料性能表征；基于扩展非局部Rousselier模型的损伤力学数值模拟（ANSYS 2018）；利用Buckingham π定理进行的量纲分析以建立相似性准则；以及高温高压爆破试验与三维光学扫描（ATOS）验证。这些方法共同支撑了物理孪生与真实构件之间的材料、几何、载荷及失效行为相似性评估。
研究结果分述如下。在材料性能与相似性方面，化学分析表明粉末、增材制造态及参考材料的成分均符合TüV规范范围；增材制造材料经热处理后硬度为197.6 HV10，参考材料为175.0 HV10，相差约13%，考虑到不确定度后仍存在显著差异，但处于可比较范围；拉伸试验显示增材制造材料的抗拉强度与参考材料偏差约10%，断裂延伸率偏差约13%，均满足预设的15%相似性准则；各向异性试验中0°与90°打印方向拉伸曲线高度一致，45°方向强度稍高但整体可接受；含裂纹场试样的力-伸长曲线、裂纹相互作用及裂纹萌生顺序与基于参考材料的损伤力学模拟结果高度吻合。在设计过程方面，研究人员遵循Stachowiak建模三步骤（映射、约简、务实），选用整体式设计，在容器壁内成功植入两个币形裂纹（长度2D = 4.5 mm，倾角20°，H/D = 0.4，S1/D = 0）。在实验验证方面，参考容器在1630 bar压力下发生周向破裂，含裂纹容器在1610 bar下沿预设裂纹位置发生轴向开裂，表明内部缺陷控制失效过程；应变片及高速摄像记录了加载历史。数值验证方面，模拟预测的爆破压力（参考容器1462 bar，裂纹容器1376 bar）略低于实验值，但应力分布、塑性应变及裂纹扩展位置与实验一致，ATOS测量表面位移与模拟位移高度吻合。在相似性与量纲分析方面，通过π定理识别出七个无量纲组，几何相似参数π1–π4（壁厚比、裂纹尺寸比、间距比、倾角）与参考完全一致；载荷-塑性相似参数π5偏差仅0.5%；弹性-塑性转变参数π6偏差约10%；归一化断裂韧性π7偏差约9.4%。总体表明物理孪生具备足够相似性，可支持缺陷控制失效行为的定性及半定量转换。
在讨论部分，研究人员指出数值模拟低估爆破压力主要源于模型参数未针对增材制造材料完全标定，建议重新校准初始及临界孔洞体积分数、孔洞长大阻力及非局部正则化固有长度，并利用增材制造裂纹场试件进行断裂韧性验证。物理孪生方法的意义在于能够直接观察和预测失效前过程，包括裂纹萌生顺序、相互作用、应变局部化及损伤演化，为含缺陷安全关键部件的鉴定提供试验依据。
研究结论部分可翻译为：本研究提出了一种使用增材制造物理孪生来评估含缺陷真实部件的新型实验方法，并定义了物理孪生概念及相似性要求。通过核安全领域的实际案例，证明了增材制造材料经后处理后可在关键性能上与常规制造参考材料相似，特别是内部裂纹的失效行为。参考容器和含裂纹容器均成功完成爆破试验，实验最大压力仅略高于数值预测，模拟正确预测了两种容器的失效行为和裂纹相互作用。实验与模拟总体高度一致，因此在该案例中，使用增材制造物理孪生评估内部缺陷的可行性得到证实。π定理分析进一步支持物理孪生足以用于预期应用，即安全关键压力容器中缺陷驱动失效的实验研究。但应指出，π6和π7的偏差表明结果转换应基于工程充分性而非完全等同，在解释断裂敏感结果时应承认剩余偏差。该研究作为概念验证而非通用鉴定规则，仅限于单一材料、一种容器几何、一种裂纹构型和理想化币形裂纹，未来需扩展至更复杂真实缺陷形态，并结合无损评估、同步DIC与高速成像等，实现基于失效前兆的定量寿命预测。最终，增材制造物理孪生为无法直接进行真实部件试验的场景提供了一种现实可行的鉴定工具。
