极端环境下工程装备结构强度与可靠性分析

一、引言

工程装备运行环境日益多元化，拓展至极端场景。极端环境因素影响装备结构力学性能与服役稳定性，故障发生率高，会导致经济损失和安全事故。因此，开展极端环境下工程装备结构强度与可靠性分析成为研究重点。结构强度和可靠性共同决定装备服役水平，当前研究已进入综合研究阶段，为提升装备适应性提供新技术手段。

二、极端环境对工程装备结构的影响机制

（一）典型极端环境的特征参数

不同极端环境有独特物理化学特征。高寒环境低温、有强低温应力与冻融循环；高温环境高温、有热辐射与热对流；高腐蚀环境有腐蚀性介质；高海拔环境气压低、缺氧、有强紫外线辐射与低温大风；强振动冲击环境有高频振动与瞬时冲击载荷。

（二）对结构性能的多维度影响

极端温度导致材料性能劣化，低温使金属冲击韧性下降，高温使金属强度衰减、高分子材料软化老化。腐蚀环境使结构表面锈蚀、坑蚀，降低材料有效截面面积，形成应力腐蚀裂纹。极端环境的温度梯度、气压变化及振动载荷改变结构应力分布，易引发焊缝开裂、壳体变形、疲劳裂纹等。极端环境对装备结构的影响有累积性和耦合性，单一因素可能引发连锁反应，降低系统可靠性。

三、结构强度与可靠性的核心分析方法

（一）结构强度分析方法

有限元法是核心工具，通过离散结构建立数学模型，实现对结构应力等的定量分析，可引入多物理场耦合模型提升精度。试验验证是关键手段，包括室内加速试验和现场实测，分别模拟极端环境和在实际环境监测，为强度分析提供数据支撑。

（二）可靠性分析方法

可靠性分析需考虑不确定性因素，常用评估模型有概率统计模型、故障树分析、失效模式与影响分析等。结构寿命预测是重要内容，常用方法有基于损伤累积的 Miner 法则、基于断裂力学的裂纹扩展模型等，基于机器学习的寿命预测方法也逐渐兴起。

四、工程应用与优化策略

（一）典型领域应用案例

极地环境有低温、强风、冰载荷等特点，对科考船、极地越野车结构强度要求高。以极地科考船为例，通过有限元模拟分析冰撞击载荷下船体应力分布，优化钢板厚度与焊缝结构；用镍钢提升抗脆性断裂能力；在船体表面喷涂防腐蚀涂层，提高结构可靠性。

矿山环境有强振动、粉尘腐蚀、重载等极端条件，液压支架、挖掘机等装备结构易疲劳失效。通过实测液压支架振动与应力数据，建立基于 FTA 的可靠性模型，识别关键失效部件；用高强度合金结构钢替代传统钢材，优化立柱截面形状；对关键部件喷丸强化，使液压支架使用寿命从 5 年延长至 8 年。

航天发射中，火箭发射架、地面保障设备承受高温燃气冲刷、强振动冲击等极端载荷。通过多物理场耦合有限元模拟，分析发射架热应力与动态响应，优化散热结构与支撑刚度；用陶瓷基复合材料制作高温防护板；基于可靠性评估模型对关键部件冗余设计，提升发射安全性。

（二）结构优化与可靠性提升策略

基于极端环境的载荷特征，采用拓扑优化、参数优化等现代设计方法，在满足强度要求的前提下，实现结构轻量化与性能优化。例如，通过拓扑优化设计挖掘机动臂结构，去除冗余材料，降低结构重量的同时，使应力分布更均匀；针对低温环境，采用整体式结构替代装配式结构，减少焊缝数量，降低热应力集中风险。

根据极端环境的作用机制，选择适配的材料并进行性能改性。在低温环境中，优先选用低温韧性好的低温钢、铝合金材料；在高温环境中，采用耐热钢、高温合金等材料；在腐蚀环境中，选用不锈钢、钛合金或复合材料，并通过表面改性技术（如镀层、涂层、离子注入）提升材料的耐腐蚀性能。例如，海洋平台的钢结构采用耐候钢，并喷涂聚脲防腐涂层，使腐蚀速率降低 70% 以上。

通过主动防护与定期维护提升结构可靠性。主动防护方面，采用保温层、加热装置抵御低温影响，采用散热片、冷却系统控制高温环境下的结构温度，采用密封结构防止腐蚀性介质侵入；定期维护方面，基于振动、应力等监测数据，开展预测性维护，及时更换老化、损伤部件，避免突发失效。例如，采用无线传感网络实时监测风电塔架的应力与振动状态，通过数据分析预测潜在故障，提前进行螺栓紧固、焊缝修复等维护作业。

五、问题与展望

（一）当前研究存在的问题

极端环境下，温度、腐蚀、振动等因素的耦合作用机制复杂，现有有限元模型难以完全准确描述多场耦合的非线性效应，导致结构强度与可靠性分析结果存在偏差。

极端环境下工程装备的服役周期长，结构失效具有累积性和滞后性，难以获取长期的可靠性试验数据，导致寿命预测与可靠性评估的准确性受限。

现有分析方法多依赖传统数值模拟与试验手段，对传感器监测数据的挖掘利用不够充分，智能化的实时分析与动态预测能力有待提升。

（二）未来发展趋势

结合分子动力学、连续介质力学等多尺度分析方法，建立更精准的极端环境多物理场耦合模型，提升结构强度分析的精度。

集成物联网、大数据、人工智能技术，构建工程装备结构状态的实时监测系统，通过机器学习算法挖掘监测数据与结构可靠性的关联关系，实现失效风险的动态预测。

研发具有耐极端环境性能的新型复合材料（如碳纤维增强复合材料、金属基复合材料），结合 3D 打印等先进制造技术，实现结构的一体化、轻量化设计，从材料与结构层面提升装备的可靠性。

六、结论

极端环境通过材料性能劣化、结构应力状态改变及系统连锁反应，显著影响工程装备的结构强度与可靠性。通过有限元数值模拟、试验验证、可靠性评估等核心分析方法，结合结构设计优化、材料选型改性及防护维护策略，可有效提升极端环境下工程装备的适应性。当前，多场耦合分析精度不足、长期可靠性数据匮乏等问题仍需突破，未来应重点发展多尺度耦合分析、智能化监测预测及新型材料结构创新技术，为极端环境工程装备的安全、高效运行提供更有力的支撑。

参考文献：

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