随着航空航天、轨道交通、海洋工程等高端装备领域向着高参数、长寿命、高可靠性的方向飞速发展，金属结构所承受的载荷工况愈发严苛，其疲劳失效已成为威胁结构安全的核心问题。

多物理场感知与人工智能技术的融合，正为结构疲劳领域带来革命性变革—通过“物理机理驱动+数据智能赋能”的融合范式，实现从“被动安全校核”到“主动寿命预测与健康管理”的跨越。

国际前沿方面，顶级期刊持续重点关注“能量法疲劳理论”、“数据驱动寿命预测”等交叉学科方向。全球工业界与学术界正积极探索将物理机理模型与深度学习相结合，利用红外热像技术非接触、全场监测的优势，深度挖掘疲劳过程中的热-力耦合信息，构建能实时评估损伤状态、精准预测剩余寿命的智能模型，推动结构健康监测（SHM）向数字化、智能化方向演进。

国家需求层面，《机械工程学科发展战略报告(2021～2035)》研究范围中明确提出“发展或采用先进测试及数值模拟方法，精确描述机械结构在严苛服役环境下微观结构、损伤及缺陷的多尺度时空演变规律，揭示损伤成因及裂纹的萌生至扩展机理。在此基础上，发展国产材料强度性能数据库和寿命模型库，建立基于数据融合的材料及机械结构强度设计与寿命预测方法”。

适合从事结构设计、疲劳分析、无损检测、状态监测的工程师与研究人员。航空航天、汽车、船舶、重型机械等领域技术人员。对人工智能在工业中应用感兴趣的高校研究生和教师等

金属结构疲劳寿命预测与健康监测技术与应用

第一部分理论基础与核心方法

1. 疲劳经典理论 回顾 及其 工程 瓶颈

2. 能量法理论体系 — 从物理原理到数学模型

2.1.改进应变能量密度法及应用

2.2.疲劳损伤理论

2.3.能量型寿命预测模型建立：Miner 线性累积损伤理论、经典能量模型讲解、

模型参数（如 Wc, Ec）的物理意义及其试验确定方法

3. 能量法的数值实现通路

3.1.通路一：试验法直接获取。

3.2.通路二：有限元法仿真获取。（本课程重点）

案例实践 1 1 ：基于 S ABAQUS 软件

4. 高强钢焊接结构抗疲劳轻量化设计方法及应用

4.1.结构多目标拓扑优化设计方法

4.2.抗疲劳轻量化设计方法

第二部分疲劳监测与智能预测技术

5. 基于热成像方法的金属疲劳性能估计

5.1.疲劳过程中的能量耗散机理、热弹性效应与热塑性效应

5.2.基于热耗散的二线法疲劳强度快速预测方法

5.3.定量热像法估计疲劳寿命

5.4.基于温度场的热源评估与裂纹扩展速率计算方法

6. 深度学习入门 与疲劳监测应用

6.1.深度学习基础知识：全连接神经网络结构、激活函数、前向/反向传播

6.2.卷积神经网络（CNN）：卷积层、池化层、激活函数

6.3.经典网络结构（如 ResNet, U-Net）

6.4.循环神经网络（RNN/LSTM）核心概念

案例实践 3 3 ：8 ResNet18 模型构建与训练 （ 包括 残差块的定义、前向传播和反向

传播的实现）， 记录损失和准确率，可视化训练 过程 和验证集的性能变化

6.5.基于深度学习算法的疲劳裂纹扩展行为研究

案例实践 4 4 ：基于热耗散机制构建裂纹长度和扩展路径智能预测模型

① 数据初始化：数据标注与处理

② 深度学习框架与模型构建

③ 训练过程与结果

④ 温度数据处理（实现从图像到温度数据的转换）

⑤ 分析与结果输出（计算裂纹尖端坐标、耗散场分布、裂纹扩展路径预测

和速率，结果包括分割区域温度、面积、耗散值等参数，并保存为文本和图像）

第三部分材料微观与宏观结构疲劳行为

7. 从局部到全局 —— 多尺度疲劳评估框架

7.1.晶体塑性原理与寿命预测

7.2.基于晶体塑性有限元方法的金属疲劳性能评估

7.3.晶粒尺寸对奥氏体不锈钢拉伸性能的影响

7.4.有限元模型建立以及参数确定

案例实践 5 5 ：多晶体 E RVE 模型生成 与寿命预测

① 二维、三维、柱状、竹节状等多种形态 RVE 建模

② Abaqus 晶体塑性仿真分析

③ Python 脚本自动批量赋予晶粒材料属性

④ 设置分析步、定义边界条件、载荷、网格划分、敏感性分析并提交计算

⑤ 结果后处理：提取累积塑性滑移变化数据、线性拟合，标定临界累积滑

移值，并反推其他应变幅下的疲劳裂纹萌生寿命。

7.5.整车多体动力学与车架强度、寿命分析

案例实践 6 6 ：车架结构全寿命疲劳分析

① 网格划分、焊缝实体与壳单元模拟、各种连接与耦合关系建立

② 车架模型施加多个单位载荷并设置对应载荷步

③ 在 MSC Nastran 中求解单位载荷下的应力结果文件

④ 创建疲劳分析任务，关联材料 S-N 曲线，并导入实测载荷谱文件

⑤ 将载荷谱与单位载荷应力结果关联，提交计算

第四部分提升结构可靠性与综合性能

8. 可靠性分析与多学科设计优化

8.1.疲劳可靠度的理论基础与计算框架

8.2.焊接结构件的工程实例，模糊疲劳可靠度的评估流程

8.3.铆接结构寿命预测的创新方法

案例实践 7 7 ：铆接接头应力集中系数 获取 有限元建模仿真

① SolidWorks 软件参数化建模，HyperMesh 网格划分的策略与技巧

② 将网格导入 Abaqus，完成了材料定义、接触设置、边界条件施加

③ 显式动力仿真以验证模型准确性，提取关键区域的应力集中系数

8.4.基于响应面法的 A 型架模糊疲劳可靠性评估

案例实践 8 8 ：A A 型架模糊疲劳可靠性分析 与优化

① Abaqus 软件车架模型的静力学验证分析

② 拉丁超立方抽样和响应面法构建 A 型架的近似模型

③ MATLAB 程序计算模糊疲劳可靠度及新型隶属函数优化

8.5.油气悬架流场特性分析与优化

案例实践 9 9 ： 油气悬架 结构多学科优化设计

① Fluent 瞬态流体仿真流程

② 仿真结果后续数据处理与模型拟合

1. Fluent 查看流场云图、获取压力数据

2. Matlab 编写代码对仿真得到的位移-刚度力数据进行三次多项式拟合

3. 提取系数并计算拟合优度，绘制出拟合曲线与原始数据的对比图

③ 多岛遗传算法优化完整过程

1. 油气悬架样本数据构建近似模型

2. 设置优化模块，最优参数组合及最佳平顺性指标

3. 完成参数优化设置与运行，生成报告