一種復雜載荷和環境下的構件壽命預測方法與流程

本發明涉及構件疲勞性能測試技術領域，具體涉及一種復雜載荷和環境下的構件壽命預測方法。

背景技術：

二十一世紀以來，民用和軍事裝備(例如卡車、坦克、艦艇和飛機等)不斷向大容量、大功率、高效能和輕量化等方向發展，然而這會導致其動力裝備(內燃機、燃氣輪機和航空發動機)的可靠性明顯降低，成為制約高端裝備設計、制造和廣泛使用的瓶頸。動力裝備服役過程中，關鍵構件在啟動、停機和長期使用過程中承受高強度的循環機械與熱載荷，使得材料力學性能隨時間變化而發生明顯的劣化，進而使構件產生疲勞失效，造成服役壽命嚴重不足。例如，內燃機在啟動、停機、加載等運行工況發生急劇變化過程中，缸蓋火力面一側受到高壓高溫燃氣高頻率反復沖刷，冷卻水腔區域則溫度較低，導致缸蓋內部溫度梯度和熱應力很大；加上氣門的沖擊導致缸蓋要承受很高的熱機械循環載荷作用，從而導致缸蓋“鼻梁區”開裂而致使缸蓋失效，所以研究缸蓋構件壽命預測方法意義重大。目前對于缸蓋的疲勞性能測試，一方面通過測試材料的拉伸、低周疲勞、熱機疲勞、蠕變和氧化等大量試驗，利用相關模型預測構件疲勞壽命；另一方面可以通過臺架實驗按照標準規范分別考核缸蓋低周和高周熱沖擊性能，然后通過損傷程度判定安全性。

雖然進行復雜服役工況構件的壽命預測時，可以通過測試材料高溫疲勞性能或通過臺架熱沖擊實驗測試構件的疲勞性能，但這些方法均存在實驗量大、試驗成本高和試驗周期長的問題。因此，探究一種適用復雜服役工況下的簡便、快捷的構件疲勞壽命測試方法是目前亟需解決的技術問題。

技術實現要素：

針對現有技術中存在的不足之處，本發明的目的在于提供一種復雜載荷和環境下的構件壽命預測方法，該方法通過合理設計即可在配有加熱設備的常規疲勞試驗機實現，成本較低、操作方便，適用于內燃機、航空發動機和燃氣輪機等復雜服役工況下構件疲勞壽命測試與表征。

為實現上述目的，本發明所采用的技術方案如下：

一種復雜載荷和環境下的構件壽命預測方法，該方法包括如下步驟：

(1)通過有限元分析獲得不同工況下(啟動、停機、怠速、額定功率等)關鍵構件的應力(應變)和溫度特征(包括應力的變化及分布，以及溫度的變化及分布情況)；

(2)測試關鍵構件的實際應力(應變)和溫度特征(一般根據經驗或文獻測試關鍵構件中典型位置的特征即可)，并根據所得實際應力(應變)和溫度特征對步驟(1)中的有限元分析結果進行驗證和校對；

(3)將步驟(2)校對后的關鍵構件的應力(應變)和溫度特征進行簡化后，建立關鍵構件的服役載荷譜；

(4)確定關鍵構件上的關鍵部位，然后根據該關鍵部位的應力(應變)和溫度特征(簡化后的測試結果)，選擇等溫拉-拉、拉-壓、三點彎曲(四點彎曲)，熱疲勞和熱機疲勞中的一種或幾種作為疲勞加載形式；

(5)根據關鍵部位的最大應力、幾何形狀、尺寸和表面狀態，結合疲勞試驗機最大載荷，制備等比例或縮放比例的簡化構件以及與簡化構件相對應的夾具工裝，該簡化構件能夠反映關鍵部位的服役工況；

(6)結合步驟(3)中確定的服役載荷譜，按照步驟(4)中選擇的疲勞加載形式，在疲勞試驗機上測試簡化構件的疲勞性能，進而計算服役構件的疲勞壽命。

上述步驟(1)中，所述關鍵構件的確定過程為：通過失效分析、有限元方法分析和/或文獻調研的結果，確定服役動力設備中承受應力或應變最大的構件，該構件稱之為關鍵構件。

上述步驟(2)中，所述驗證和校對過程中應選擇應變和溫度的邊界值(如最大值和最小值等)進行校對。

上述步驟(4)中，所述關鍵構件上的關鍵部位是指：在關鍵構件中，該關鍵部位的應力(應變)狀態和表面狀態都與服役構件一致，且并該關鍵部位能代表所述關鍵構件的服役工況。

所述步驟(6)具體采用以下兩種方式進行：

第一種方式為：結合關鍵構件具體服役工況，通過有限元計算出服役構件在不同工況的載荷譜(內燃機在啟動、停機、怠速和額定功率等工況)，再從相似工況中選擇損傷最嚴重的工況(啟停和額定功率)載荷譜作為加載應力幅，對待測構件進行應變控制的熱機疲勞加載，至少測試三個樣品，獲得構件的疲勞壽命；

第二種方式為：對步驟(3)中簡化后所得服役載荷譜進一步分為單獨的啟停和額定功率兩個過程，兩個過程分別按照載荷譜進行熱機械疲勞和高溫高周疲勞實驗(熱機疲勞的最高溫度)，通過線性累積方法計算出構件的疲勞壽命。如果測試或計算壽命過于保守，可以考慮在增加一工況重復上述方法，獲得相應疲勞壽命。

本發明設計原理及有益效果如下：

本發明通過有限元方法分析關鍵構件不同工況承載狀態和溫度分布；結合實際測試和失效分析等結果，確認關鍵構件的危險部位；根據構件最危險部位的形狀設計出反映形狀和應力(應變的)特征的簡化構件；根據應力(應變)和溫度的變化范圍規律，建立構件的載荷譜，進行適當簡化確認加載形式；制作簡化構件和對應夾具工裝，然后在試驗機上按照載荷譜測試構件的疲勞性能，進而測試服役構件的疲勞壽命。本發明解決了復雜載荷和環境下的關鍵構件難于測試和材料的高溫疲勞性能測試成本很高的問題，提供了一種基于復雜載荷和環境的構件疲勞性能測試、表征與優化方法。本發明通過分析驗證和合理設計，可在配有電阻或電磁感應加熱設備的常規疲勞試驗機上實現，測試成本低、時間短、操作方便，適用于內燃機和燃氣輪機制等復雜服役工況的構件。

附圖說明

圖1內燃機缸蓋示意圖及其危險位置，圖中方框為危險位置。

圖2為柴油機內燃機在啟動、停機和運行等工況應力(應變)示意圖：(a)啟停、怠速和運行三種工況；(b)啟停和高速運行兩種工況；(c)簡化啟停工況；(d)簡化高速運行工況。

具體實施方式

為了進一步理解本發明，以下結合實施例對本發明進行描述，但實施例僅為對本發明的特點和優點做進一步闡述，而不是對本發明權利要求的限制。

實施例1

采用本發明方法，利用帶有加熱設備的常規實驗機，對動力設備內燃機進行缸蓋火力面關鍵構件的疲勞壽命測試。

缸蓋是形狀和結構復雜、服役工況最惡劣的內燃機燃燒室構件。內燃機缸蓋內部有復雜的冷卻水腔、進氣道和排氣道，斷面壁厚差很大。缸蓋工作時，燃燒室火力面一側和排氣道受到高壓高溫燃氣高頻率反復沖刷，進氣道和冷卻水腔區域則溫度較低，導致缸蓋內部溫度梯度和熱應力很大；而且工作過程中反復受到高壓燃氣和氣門沖擊，要承受很高的熱機械循環載荷作用。這個復雜的區域稱之為“鼻梁區”(如圖1所示方框)。缸蓋構件的失效大部分源于鼻梁區的熱機械疲勞(如圖1所示的裂紋)，具體測試過程舉例如下：

(1)通過失效分析，并結合有限元方法分析和文獻調研的結果，確認內燃機各構件中應力或應變最大的構件，該構件稱之為關鍵構件，對于內燃機來講，缸蓋是關鍵構件之一(如圖1所示)；

(2)通過有限元計算不同工況(例如，啟動、停機、運行(怠速、不同額定功率)等)下關鍵構件(即缸蓋)的應力(應變)和溫度的變化及分布情況，熱載荷與機械載荷如圖2(a)所示；

(3)結合關鍵構件的應力(應變)和溫度特征，選擇關鍵構件上典型位置測試實際的應變和溫度變化和分布情況，并根據實際測試結果對步驟(2)中有限元分析結果進行驗證和校對，盡量選擇應變和溫度的最大和最小值等邊界值(圖2(a)中的圓點處)進行校對；

(4)將校對后的有限元分析的應力(應變)和溫度隨工況的變化規律進行適當簡化，適當考慮測試設備的特性，建立關鍵構件的服役載荷譜；對于內燃機來講，其簡化后的載荷譜如圖2(b)所示，選擇損傷最嚴重的工況(啟停和高速運行(例如額定功率和80％額定功率等))；考慮到冷卻速度，熱載荷的起始溫度設定在120℃，最高溫度為120℃，升溫降溫各60秒；

(5)確定關鍵構件上的關鍵部位，所確定的關鍵部位的應力(應變)狀態與服役構件一致并能代表構件的服役工況。對于內燃機缸蓋來講，缸蓋最危險位置是鼻梁區(如圖1所示方框)；

(6)根據關鍵部位的溫度和應力(應變)狀態(簡化后的載荷譜)，選擇等溫拉-拉、拉-壓、壓-壓、三點彎曲(四點彎曲)、熱疲勞或熱機疲勞等作為疲勞加載形式；對于缸蓋鼻梁區說，可只選擇壓-壓載荷作為機械加載形式；

(7)根據關鍵部位的最大應力、幾何形狀、尺寸和表面狀態，結合疲勞試驗機最大載荷，制備等比例或比例縮放的測試簡化構件以及與其對應的夾具工裝，該測試用簡化構件能夠反映關鍵部位的服役工況，對于缸蓋，測試樣品的工作段就是一個完整的鼻梁區，就是全弧的疲勞樣品；

(8)結合圖2(b)中載荷譜，為了提高效率，在疲勞試驗機上進行應力控制的熱機疲勞實驗，至少測試三個樣品，獲得簡化構件的疲勞壽命，并與臺架或實際服役構件的壽命對比，建立簡化構件和實際構件的定量關系。

實施例2

與實施例1不同之處在于：步驟(8)的具體過程不同，本實施例過程如下：

對計算的載荷譜進一步進行簡化，分為單獨的啟停和高速運行兩種工況，如圖2(c)和圖2(d)，分別按照載荷譜進行應變控制的熱機械疲勞(如圖2(c))和高溫高周疲勞實驗(如圖2(c)、圖2(d))，通過miner線性累積方法計算出簡化構件的疲勞壽命，并與臺架或實際服役構件的壽命對比，建立簡化構件和實際構件的定量關系。