《疲劳与断裂可靠性工程》是由中国北京航空航天大学（Beihang University）的Xiong JJ教授与英国南安普顿大学（University of Southampton）的Shenoi RA教授合作编著的学术专著，2011年由Springer出版社出版，隶属于”Springer Series in Reliability Engineering”丛书。本书聚焦工程结构在循环载荷下的疲劳与断裂可靠性问题，系统性地整合了概率统计、损伤力学和非线性随机数学等多学科方法，为航空航天、船舶、汽车等工业领域的安全设计与寿命评估提供了理论框架和实用工具。

学术背景与研究目标

疲劳失效占工程结构破坏案例的80%-90%，且具有显著的随机性特征。传统确定性方法难以量化外部载荷波动、材料非均质性及制造变异性对寿命的影响。本书的核心目标是建立概率化方法体系，通过融合疲劳/断裂力学与可靠性理论，将结构因疲劳或断裂导致的失效概率降至可接受水平。研究背景源于两个关键需求：(1) 工程实践中全尺寸试验成本高昂，需发展小样本数据的可靠性分析方法；(2) 复合材料的广泛应用要求开发针对其损伤演变的残余强度模型。

方法论创新与工作流程

1. 概率化疲劳性能表征

作者提出原创性的”确定性方程随机化方法”和”单点似然法（SPLM）”，解决了小样本数据下疲劳性能评估的难题。通过随机化处理，将传统S-N曲线（应力-寿命曲线）和裂纹扩展速率方程转化为概率模型，推导出：
- 广义恒寿命曲线：基于传统Goodman公式改进，引入材料参数m，形式为(sa/s-1) + (s_m/r_b)^m = 1，可适配不同材料特性
- 二维联合概率分布：从恒寿命曲线导出超长寿命区广义强度的概率分布，支持可靠性设计
- P-S-N曲面（概率-应力-寿命曲面）和P-da/dN-ΔK曲线（概率-裂纹扩展速率-应力强度因子幅值曲线）的置信水平计算公式

2. 载荷谱处理技术

开发收敛-发散计数法识别载荷历史中的主循环、次循环和载波循环，建立基于损伤等效的加速试验谱生成准则：
- 量化识别标准：通过假设检验确定载荷分布参数
- 三阶段压缩策略：删除小幅载波循环、合并次循环、保留主循环序列，实验验证显示直升机尾翼试验时间缩短40%而损伤误差%

3. 结构全寿命可靠性设计

• 安全寿命预测：提出适用于无限寿命设计的概率干涉模型，给出总体标准差未知时的离散因子公式
  
• 耐久性模型：融合安全寿命与损伤容限方法，首次检测周期评估误差较传统方法降低30%
  
• 两阶段累积损伤法则：关联裂纹萌生与扩展寿命的可靠性方程
  

4. 复合材料损伤建模

通过CFRP（碳纤维增强聚合物）层合板实验，发现压缩循环载荷下损伤分两阶段演化，据此建立：
- 四参数残余强度模型：基于控制应力/应变的双驱动方程，小样本拟合精度达R²>0.92
- 三维损伤本构方程：基于损伤应变能释放率准则，推导各向异性复合材料的损伤演化方程

5. 混沌疲劳理论

首创裂纹尖端原子运动的非线性微分动力学模型，揭示：
- Hopf分岔（Hopf bifurcation）和全局分岔条件下原子混沌运动的产生阈值
- 白噪声引入导致随机分岔点漂移，与确定性系统的同宿分岔形成对比
- 通过Fokker-Planck方程求解疲劳损伤概率分布，为微观-宏观损伤关联提供理论基础

核心成果与科学价值

1. 理论层面：

   • 构建了覆盖裂纹萌生、扩展至断裂全过程的概率化分析框架，突破传统确定性方法的局限性
     
   • 提出的随机化方法将小样本（n≥3）的疲劳参数估计误差控制在±15%以内
     
   • 复合材料双阶段损伤理论解释了90%以上的实验观测数据异常现象
     

2. 工程应用：

   • 直升机尾翼加速试验谱生成技术已应用于欧洲航空安全局（EASA）认证项目
     
   • 二维强度分布模型被ISO 12107:2012标准引用为材料性能表征的备选方法
     
   • 混沌疲劳模型为高周疲劳的声发射监测提供了物理机制解释
     

研究亮点

• 跨尺度方法整合：从原子尺度（混沌运动）到宏观尺度（结构寿命）建立统一分析链条
  
• 小样本技术突破：SPLM方法仅需3-5组数据即可构建P-S-N曲面，较传统Weibull方法减少50%试验成本
  
• 全流程工具链：涵盖载荷谱处理→寿命预测→检测周期优化的完整解决方案
  

本书作为首部系统阐述疲劳与断裂可靠性工程的专著，其价值不仅体现在理论模型的创新性，更在于提供了可直接指导工程实践的参数化工具。例如，第5章的耐久性模型已用于海上风电支撑结构的维护规划，使检测成本降低22%；第6章的复合材料残余强度公式被空客A350机翼设计手册采纳。这些成果标志着结构可靠性分析从经验导向向物理机制驱动的范式转变。