[发明专利]用于概率性疲劳裂纹寿命估计的方法和系统

说明书

本发明涉及一种用于对配置为遭受周期性应力的部件的疲劳裂纹寿命的概率性估计。根据部件的材料特性离散数据(90a‑g)和裂隙尺寸离散数据(90h‑j)定义部件的多个表示，其中每个表示通过与部件相关联的一个可能的材料条件和裂隙尺寸条件定义。对于每个个体表示，选择(93)部件位置和基于对在选择的位置中裂纹生长的计算(95)，确定(96)在给定数量的周期N之后所述个体表示是否失效。基于在选择的位置中的材料条件和裂隙尺寸条件，计算(95)裂纹生长。如果裂纹生长被确定为是不稳定的，则确定(96)个体表示的失效。确定(97)在N个周期之后失效的表示的总数。确定(99)在N个周期之后部件的失效概率为PoF(N)＝Nf/S，其中PoF(N)是部件在N个周期之后失效的概率，Nf是被确定为在N个周期之后失效的表示的总数，并且S是表示的总数。

技术领域

本发明涉及一种用于对遭受周期性应力的部件的疲劳裂纹寿命进行概率性估计的方法和系统。

背景技术

在技术系统的多个应用中，部分或部件可能遭受机械的和热的应力，所述应力随时间交替或改变。在这样的情况中单个的部分通过发生压缩力或拉伸力例如可能遭受直接的机械应力。另一方面例如对于涡轮机系统中，特别是在燃气轮机中的部分或部件，当燃汽轮机启动或关闭时，产生该类型的时变热应力。

极端的机械的以及热的周期加载导致材料疲劳，所述材料疲劳在许多情况中限制部件的寿命。一般地，在周期加载下疲劳裂纹生长(FCG)时常是部件的寿命限制机理。小的裂纹典型地从内在的裂缝、诸如在锻件中的预先存在裂隙而集结，或通过其他裂纹开始机理、诸如低周期疲劳(LCF)而开始。在每个周期期间，典型地在引擎的一个启动和关闭或运行条件的其他改变期间，小的裂纹递增地生长而不影响部件的结构完整性。这称为稳定裂纹生长。当裂纹尺寸达到临界尺寸时，裂纹生长变得不稳定并且部件发生失效。发生这时的周期N被称为部件的疲劳裂纹寿命。可以通过线弹性断裂力学(LEFM)与通过有限元分析(FEA)所估计的部件的合适的瞬态应力场相结合来估计裂纹生长。

在LEFM中，对于估计断裂力学极其重要的材料特性是断裂韧度(K1c(T))和裂纹生长率(da/dN(K,T,R))，其中da＝裂纹尺寸增量，dN＝周期增量，ΔK＝表征应力周期的应力强度因子差，T＝温度，R＝R-比率[应力最小值/应力最大值]。对非线性效应进行考虑的LEFM的扩展，附加地要求拉伸特性，诸如屈服强度(RP02)、极限屈服强度(RM)，和杨氏模量。这些扩展的已知例子是失效评定图(FAD)和Irwin塑性区的扩展(IPZE)。

此外，需要已知初始裂隙尺寸以执行LEFM计算。一旦已知这些参数，可以通过利用例如椭圆形嵌入的或半椭圆形的表面裂纹的板块解逼近裂纹来计算疲劳裂纹寿命N。

测量显示，所有这些材料特性和初始裂隙尺寸由于制造部分的复杂性而具有固有的离散。此外，材料特性的老化强烈取决于个体部件运行、初始材料微结构和化学组成并且由此导致在老化的部件的材料特性中的不同离散。由于材料特性和初始裂隙尺寸中的不确定性，对断裂力学寿命的估计是复杂的。由此，对于许多部件，甚至没有设计疲劳裂纹生长，或做出极其保守的假设。这可以导致非常保守的设计，其不使用部件的所有潜力。

以下描述疲劳裂纹寿命计算的两种现有技术方法。

第一方法涉及基于最小值/最大值材料特性和裂隙尺寸，计算确定性断裂力学寿命。该方法落入所谓的安全寿命设计原理并且主要用于基于陆地的重型燃汽轮机和蒸汽轮机。在该方法中，使用对材料特性和初始裂隙尺寸的保守估计。例如，通过最小曲线来估计断裂韧度(K1c)，其中大多数测量的数据具有较大的K1c值。对于裂纹生长率(da/dN)，估计最大值曲线，其中大多数测量的数据具有较小的值。裂隙尺寸典型地通过非破坏性检查(NDE)技术的辨析来估计，所述非破坏性检查技术在部件在引擎中被使用之前或在寿命时间延伸期间(LTE)被执行。