2026 年 11 月 4 日
康科迪亚大学（Concordia University）机械、工业与航空航天工程系教授 Ayhan Ince 近期开发了一种新的三维（3D）建模框架，旨在更高效地预测金属零件表面下方的应力分布情况。该研究成果已发表在《理论与应用断裂力学》（Theoretical and Applied Fracture Mechanics）杂志上。
计算效率提升约六倍
在针对相对简单的钢制断裂条进行的计算机对比测试中，新框架在 4.5 分钟内完成了计算，而更为详细的非线性模拟则需要 28 分钟才能计算出永久变形。这意味着新方法的计算速度大约是传统详细模拟的六倍。
Ince 预计，随着工程模型尺寸和加载复杂度的增加，完全非线性模拟的计算需求将变得更为苛刻，因此该框架将为大型工程组件提供更高的计算效率。这一进展有助于研究人员开发更准确的机械零件损坏模型，工程师未来可利用这些模型加快耐用性评估，并改进从汽车制造到航空航天领域的零部件设计。
突破表面预测局限
机械元件长期承受各种力量作用，孔洞、槽口或几何过渡处往往成为最高应力点。然而，损伤和裂纹的生长取决于材料变形在这些关键位置周围物质中的演变过程。例如，车辆轴可能同时受到拉伸、压缩、弯曲和扭曲的作用，这些复合力会导致疲劳损伤，最终引发裂纹。
过去几十年间，研究人员开发了多种高效方法来计算材料在脆弱点的反应，但这些简化方法通常只能预测表面状况。虽然详细的非线性计算机模拟能够揭示材料内部的变化，但其对计算能力的需求巨大，尤其是在模拟多种负载历史、材料选择或设计变化时。
Ince 的新框架通过整合多个机械模型，有效解决了这一局限性。该框架能够计算力的分布方式，以及金属在临界区域附近的三维空间如何变形，即使是在多种类型负载共同作用且随时间变化的情况下也能保持准确性。
未参与该研究的西密歇根大学机械工程研究员 Daniel Kujawski 评价称，这项研究是“对先进缺口分析的重要贡献”。他指出，这种方法提供了一个潜在的桥梁，有助于工程师评估部件的使用寿命，并确定哪些部件可能出现或扩散裂纹。
近二十年的基础研究与未来验证
Ince 对该问题的兴趣源于其在汽车行业的工作经历，包括在加拿大通用动力陆地系统（General Dynamics Land Systems - Canada）任职期间。当时，他负责评估轴、悬挂系统和结构支撑等组件的耐用性，发现复杂的负载条件使得预测损坏极具挑战性。
在全职工作期间，Ince 在研究合著者 Gregorz Glinka 的指导下攻读博士学位。他在 2012 年完成的博士研究奠定了其整个学术生涯中不断发展的方法论基础。
Ince 表示：“这项工作代表了计算力学的一个里程碑式进步，解决了研究人员几十年来一直追求的 3D 场预测挑战。”但他也强调，后续工作仍不可或缺。
目前，研究人员仅将该框架与一块钢材和一条杆在三种加载模式下进行的详细非线性计算机模拟进行了比较。接下来，团队计划检查其他材料和几何形状，并通过物理实验验证预测结果。Ince 指出，这些测试将有助于确定该方法在真实工程组件中的广泛应用潜力。
参考文献：
A. Ince 等，《一般多轴载荷下缺口前沿弹塑性应力-应变预测的三维建模框架》，《理论与应用断裂力学》（2026）。DOI: 10.1016/j.tafmec.2026.105851
