服役状态下的机械零部件通常受到多种工况的同时作用。传统的拉伸、弯曲、扭转等单一工况材料力学性能测试技术手段已难以满足力学性能分析需求,制约了材料研发工艺的改进及装备的优化设计制造。与此同时,利用显微成像技术实现动态监测材料变形损伤的原位测试技术应运而生,为研究材料力学性能提供了崭新的方法。针对复杂工况下材料损伤机理和力学行为规律的研究需求,研制复杂工况材料力学性能测试装备,已成为国际学术界和工程界关注的焦点。在综述分析相关领域国内外现状的基础上,论文开展了拉伸、扭转、弯曲和纳米压痕复杂工况材料力学性能原位测试装备的设计分析。全文搭建了以试验需求为目标的设计架构,以试验理论、结构设计、误差分析与精度校准和试验验证为主线的研究体系,完成了复杂工况材料力学性能的原位试验研究。论文的主要研究内容概括如下:(1)开展了力学性能试验与装备校准理论研究。综述了应用于复杂工况力学性能分析和测试装备校准相关的拉伸、扭转、弯曲和纳米压痕工况试验的基本理论;并在此基础上提出了基于细观力学和原位监测技术的纳米压痕表征材料本构关系的研究方法。总结了工程材料在复杂工况下损伤理论和应力状态分析理论;并且为复杂工况应力状态分析提出了以应力三轴度为分析基础的,拉伸-扭转工况状态分数维量化表征的研究方法。(2)建立了面向试验工况需求和试验方法需求的设计目标。基于上述工况测试理论和提出的研究方法,确定了测试装备的试验工况需求为:拉伸、扭转、弯曲和纳米压痕单一工况,以及两种载荷下复杂工况的原位测试。测试装备期望实现的试验方法需求为:基于细观力学的本构关系纳米压痕分析和复杂工况状态的分数维表征分析。根据功能配置分析理论搭建了测试装备的测试需求的设计质量屋和“需求-结构”的关系矩阵,为测试装备结构的设计提供了总体要求。并且在个结构模块设计中绘制了功能结构树,清晰地阐述了结构原理。详细地分析了测试装备各模块的误差来源及产生原因,建立了误差分析表,为测试装备的精度校准提供依据。(3)开展了测试装备结构设计分析。根据“需求-结构”的关系矩阵分析获得的总体要求,并在借鉴国内外测试仪器/装置的结构特点的基础上,完成了测试装备的结构设计。结合静强度仿真分析和模态分析技术,对数字化样机开展了动静态分析,验证了功能结构分析的合理性和测试装备的可靠性。(4)建立了拉伸、扭转、弯曲和纳米压痕模块的误差分析模型,并开展了精度校准研究。分析了机架柔度、设备同轴度等因素对测试装备精度的影响,通过测试装备误差模型研究,提高了测试装置后处理数据的精度。根据45号钢、Q235钢和6061铝的重复性试验结果可知,修正后的测试装置与商业化试验机数据吻合性较好,验证了修正算法的准确性。不同工况速率下的2024-T351铝的力学性能试验,验证了本测试装备在力学性能分析中的实用性。(5)开展了复杂工况下45号钢原位力学性能的试验研究。交变扭转工况原位试验、不同试验参数下弯曲工况原位试验和拉伸-扭转-弯曲两两工况复合状态下的原位试验。复杂工况力学性能试验较传统的单一工况准静态试验更有效地模拟了服役状态下材料的受力状态。试验结论揭示了材料的力学性能是由材料组织、应力和应变共同作用的结果。预拉伸应力和预扭转应力均能够降低材料的屈服强度;预拉伸应变能够降低材料的抗扭强度,预扭转应变能够提高材料的抗拉强度。同时,细观力学分析与纳米压痕技术相结合的材料本构关系表征的分析,和工况维度的分数维量化分析,为复杂工况的分析提供了新的方法。综上,本测试装备能够为服役状态下结构连接件、焊接件、包含加工残余应力等材料的力学测试和性能模拟分析提供有效的试验平台。因此,论文开展复杂工况材料力学性能原位测试装备的设计分析与集成调试的研究,具有重要的理论意义和应用价值。