一種等效的預測熱機械疲勞壽命的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及疲勞強度領域，特指一種等效的預測熱機械疲勞壽命的方法。
【背景技術】
[0002] 熱機疲勞強度設計是航空發動機、燃氣渦輪機等高溫部件強度設計的重要內容。 實際服役中的發動機在啟動，穩態飛行以及停機時，其發動機的渦輪葉片不僅僅承受恒溫 載荷同時也承受熱機載荷的影響。這種加載條件大大縮短了渦輪發動機葉片的壽命同時降 低了發動機關鍵零部件的可靠性。
[0003] 目前熱機械疲勞的壽命預測主要是使用在高溫條件下的等溫疲勞進行評估，而這 種情況下卻忽視了溫度變化對發動機的損傷，所以這種傳統的用高溫疲勞來預測熱機械疲 勞方法的可靠性存在不確定性。因此，考慮溫度變化產生的熱應變對熱機疲勞的影響，研究 一種等效的預測熱機械疲勞壽命的方法具有重要意義。
【發明內容】
[0004] 本發明目的在于針對低周熱機械疲勞的發展要求，提出了一種等效的預測熱機械 疲勞壽命的方法。
[0005] 本發明所提供的一種等效的預測熱機械疲勞壽命的方法，其步驟為：
[0006] 步驟1):使用有限元方法分別計算出熱機械疲勞中在最高溫度處的高溫恒溫疲 勞數據和相應溫度范圍下的熱應變數據；
[0007] 步驟2):將原有的在恒溫下的三參數冪函數能量方法（3SE)在考慮熱應變情況下 轉化成含有熱應變項的三參數冪函數能量方法；
[0008] 恒溫下的三參數冪函數能量方法：
[0011] 其中，σ_和。_為最大，最小應力，Δ ε p為塑性應變范圍，Δ。為應力范圍，Wq 為疲勞極限，m和C為材料常數；
[0012] 步驟3):利用改進的3SE模型將有限元計算的結果代入，計算出等效能量，并將結 果與熱機械試驗得到的數據計算的3SE模型能量進行對照，改進的3SE模型為公式如下：
[0014] 其中，Δ ε &為熱應變范圍；
[0015] 通過對照圖顯示出，等效能量與熱機械試驗數據得到的能量幾乎相當；
[0016] 步驟4):利用改進的三參數冪函數能量方法對熱機械疲勞壽命進行預測：
[0017] (1)利用改進的3SE模型得到的等效能量與循環失效數在對數坐標系下對比，發 現能量與循環失效數呈線性關系，說明該方法對于壽命預測是可行的；
[0018] (2)將等效能量代入步驟2)的W-N曲線，得到壽命預測結果；
[0019] 步驟5):等效能量法與拉伸滯后能模型使用分散帶和標準差來衡量模型預測壽 命的能力；其分散帶與標準差分別如下式：
[0022] 其中Npra和N ^分別為預測壽命和試驗壽命；
[0023] 步驟⑴中有限元分析時所用的控制應變為熱機械試驗中的機械應變，結構分析 時所用的材料常數為在對應的熱機械疲勞最高溫度下高溫疲勞所對應的常數。
[0024] 步驟（5)中拉伸滯后能預測壽命所用的數據是由熱機械疲勞試驗所得到的，而計 算等效能量所用的數據為高溫疲勞數據和熱疲勞數據。
[0025] 所述步驟1)有限元分析時所用的控制應變為熱機械試驗中的機械應變，結構分 析時所用的材料常數為在對應的熱機械疲勞最高溫度下高溫疲勞所對應的常數。
[0026] 所述步驟5)中拉伸滯后能預測壽命所用的數據是由熱機械疲勞試驗所得到的， 而計算等效能量所用的數據為高溫疲勞數據和熱疲勞數據。
[0027] 與現有技術相比，本發明具有如下有益效果。
[0028] 本發明提出一種等效的預測熱機械疲勞壽命的方法。該方法將熱機疲勞中熱應力 循環和機械應力循環分別考慮，然后通過能量方法來預測熱機疲勞壽命，該方法不需要進 行復雜的熱機疲勞試驗，只需要進行相應載荷控制下的高溫疲勞試驗，以及計算出熱機疲 勞溫度變化產生的熱應變。該方法所需的材料常數可以根據相應高溫試驗數據擬合，節約 試驗成本。通過驗證，采用該方法進行熱機械疲勞壽命估算取得較好的預測效果。
【附圖說明】
[0029] 圖1為單軸載荷條件下預測熱機械疲勞壽命的方法流程圖。
[0030] 圖2為熱機械試驗的循環載荷類型示意圖。
【具體實施方式】
[0031] 結合【附圖說明】本發明的【具體實施方式】。
[0032] 本發明通過熱機疲勞試驗對本發明做了進一步說明，試驗的加載波形為三角波 形，應力比為-1，不同的控制應變下進行的。
[0033] -種等效的預測熱機械疲勞壽命的方法，【具體實施方式】如下：
[0034] 步驟1):用有限元方法分別計算出熱機械疲勞在最高溫度處的高溫疲勞數據和 相應溫度范圍下的熱應變數據；在用有限元進行求解高溫疲勞數據時，所用的控制應變轉 換位移公式為：
[0037] Δ I = I-I0= I 0 (e E-I)
[0038] 其中，1。為試件的原始長度，ε為控制應變。
[0039] 步驟2):將原有的在恒溫下的三參數冪函數能量方法（3SE)在考慮熱應變情況下 轉化成含有熱應變項的三參數冪函數能量方法；
[0040] 恒溫下的三參數冪函數能量方法：
[0043] 其中，σ_和。_為最大，最小應力，Δ ε ρ為塑性應變范圍，Δ。為應力范圍，Wq 為疲勞極限，m和C為材料常數；
[0044] 步驟3):利用改進的3SE模型將有限元計算的結果包括結構分析得到相關高溫疲 勞參數以及在零載荷條件熱分析得到熱參數代入，計算出等效能量，并將結果與熱機械試 驗得到的數據計算的3SE模型能量進行對照，改進的3SE模型為公式如下：
[0046] 其中，Δ ε &為熱應變范圍；
[0047] 通過對照圖顯示出，等效能量與熱機械試驗數據得到的能量幾乎相當；
[0048] 步驟4):利用改進的三參數冪函數能量方法對熱機械疲勞壽命進行預測：
[0049] (1)利用改進的3SE模型得到的等效能量與循環失效數在對數坐標系下對比，發 現能量與循環失效數呈線性關系，說明該方法對于壽命預測是可行的；
[0050] (2)將等效能量代入步驟2)的W-N曲線，得到壽命預測結果；
[0051] 步驟5):等效能量法與拉伸滯后能模型使用分散帶和標準差來衡量模型預測壽 命的能力；其分散帶與標準差分別如下式：
[0054] 其中Npra和N &分別為預測壽命和試驗壽命；
[0055] 拉伸滯后能模型：
[0057] 其中，C和β為材料常數，根據高溫恒溫疲勞得到。
[0058] 為了驗證本發明提出等效方法預測熱機械疲勞壽命的效果，將本方法所得到的預 測壽命結果與熱機械疲勞試驗得到的壽命進行比較，結果表明，考慮在恒溫高溫疲勞下對 應熱機疲勞熱應變參數的等效預測壽命的方法對疲勞材料壽命預測結果誤差分散在2倍 因子之內。為了進一步表明等效方法預測能力，用分散帶和標準差兩個統計量來表示，將拉 伸滯后能模型利用熱機械疲勞所得數據得到的分散帶與標準差與等效方法得到分散帶和 標準差進行比較，其結果相當。因此，提出的預測熱機疲勞壽命的方法可以較好的預測單軸 載荷條件下的熱機械疲勞壽命。
【主權項】
1. 一種等效的預測熱機械疲勞壽命的方法，其特征在于：步驟如下， 步驟1):使用有限元方法分別計算出熱機械疲勞中在最高溫度處的高溫恒溫疲勞數 據和相應溫度范圍下的熱應變數據； 步驟2):將原有的在恒溫下的三參數冪函數能量方法（3SE)在考慮熱應變情況下轉化 成含有熱應變項的三參數冪函數能量方法； 恒溫下的三參數冪函數能量方法：Nf(Aff-ff0)m= C 其中，。_和σ _為最大，最小應力，ΔεP為塑性應變范圍，Δσ為應力范圍，W。為 疲勞極限，m和C為材料常數； 步驟3):利用改進的3SE模型將有限元計算的結果代入，計算出等效能量，并將結果與 熱機械試驗得到的數據計算的3SE模型能量進行對照，改進的3SE模型為公式如下：其中，Αεth為熱應變范圍； 通過對照圖顯示出，等效能量與熱機械試驗數據得到的能量幾乎相當； 步驟4):利用改進的三參數冪函數能量方法對熱機械疲勞壽命進行預測： (1) 利用改進的3SE模型得到的等效能量與循環失效數在對數坐標系下對比，發現能 量與循環失效數呈線性關系，說明該方法對于壽命預測是可行的； (2) 將等效能量代入步驟2)的W-N曲線，得到壽命預測結果； 步驟5):等效能量法與拉伸滯后能模型使用分散帶和標準差來衡量模型預測壽命的 能力；其分散帶與標準差分別如下式： 分散帶=maxd/Npre，Npre/Nob)其中和別為預測壽命和試驗壽命。2. 根據權利要求1所述的一種等效的預測熱機械疲勞壽命的方法，其特征在于：所述 步驟1)有限元分析時所用的控制應變為熱機械試驗中的機械應變，結構分析時所用的材 料常數為在對應的熱機械疲勞最高溫度下高溫疲勞所對應的常數。3. 根據權利要求1所述的一種等效的預測熱機械疲勞壽命的方法，其特征在于：所述 步驟5)中拉伸滯后能預測壽命所用的數據是由熱機械疲勞試驗所得到的，而計算等效能 量所用的數據為高溫疲勞數據和熱疲勞數據。
【專利摘要】本發明提供了一種等效的預測熱機械疲勞壽命的方法，涉及疲勞強度領域，該方法的步驟為：(1)使用有限元方法分別計算出熱機械疲勞在最高溫度處的高溫疲勞數據和相應溫度范圍下的熱應變數據；(2)將原有的在恒溫下的三參數冪函數能量方法考慮熱應變轉化成含有熱應變項的三參數冪函數能量方法；(3)將有限元計算的數據用改進的三參數冪函數能量法求得的等效能量與熱機械試驗的到數據計算的能量進行對照；(4)利用改進的三參數冪函數能量方法對熱機械疲勞壽命進行預測；(5)在工程上，將等效能量法與拉伸滯后能模型使用分散帶和標準差來衡量模型預測壽命的能力。預測結果說明該方法能較好的計算熱機械疲勞壽命。
【IPC分類】G06F17/50
【公開號】CN105302987
【申請號】CN201510781870
【發明人】尚德廣, 宋明亮, 趙相鋒, 張嘉梁, 王曉瑋, 陶志強
【申請人】北京工業大學
【公開日】2016年2月3日
【申請日】2015年11月15日