[发明专利]一种复杂载荷和环境下的构件寿命预测方法

说明书

技术领域

本发明涉及构件疲劳性能测试技术领域，具体涉及一种复杂载荷和环境下的构件寿命预测方法。

背景技术

二十一世纪以来，民用和军事装备(例如卡车、坦克、舰艇和飞机等)不断向大容量、大功率、高效能和轻量化等方向发展，然而这会导致其动力装备(内燃机、燃气轮机和航空发动机)的可靠性明显降低，成为制约高端装备设计、制造和广泛使用的瓶颈。动力装备服役过程中，关键构件在启动、停机和长期使用过程中承受高强度的循环机械与热载荷，使得材料力学性能随时间变化而发生明显的劣化，进而使构件产生疲劳失效，造成服役寿命严重不足。例如，内燃机在启动、停机、加载等运行工况发生急剧变化过程中，缸盖火力面一侧受到高压高温燃气高频率反复冲刷，冷却水腔区域则温度较低，导致缸盖内部温度梯度和热应力很大；加上气门的冲击导致缸盖要承受很高的热机械循环载荷作用，从而导致缸盖“鼻梁区”开裂而致使缸盖失效，所以研究缸盖构件寿命预测方法意义重大。目前对于缸盖的疲劳性能测试，一方面通过测试材料的拉伸、低周疲劳、热机疲劳、蠕变和氧化等大量试验，利用相关模型预测构件疲劳寿命；另一方面可以通过台架实验按照标准规范分别考核缸盖低周和高周热冲击性能，然后通过损伤程度判定安全性。

虽然进行复杂服役工况构件的寿命预测时，可以通过测试材料高温疲劳性能或通过台架热冲击实验测试构件的疲劳性能，但这些方法均存在实验量大、试验成本高和试验周期长的问题。因此，探究一种适用复杂服役工况下的简便、快捷的构件疲劳寿命测试方法是目前亟需解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种复杂载荷和环境下的构件寿命预测方法，该方法通过合理设计即可在配有加热设备的常规疲劳试验机实现，成本较低、操作方便，适用于内燃机、航空发动机和燃气轮机等复杂服役工况下构件疲劳寿命测试与表征。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种复杂载荷和环境下的构件寿命预测方法，该方法包括如下步骤：

(1)通过有限元分析获得不同工况下(启动、停机、怠速、额定功率等)关键构件的应力(应变)和温度特征(包括应力的变化及分布，以及温度的变化及分布情况)；

(2)测试关键构件的实际应力(应变)和温度特征(一般根据经验或文献测试关键构件中典型位置的特征即可)，并根据所得实际应力(应变)和温度特征对步骤(1)中的有限元分析结果进行验证和校对；

(3)将步骤(2)校对后的关键构件的应力(应变)和温度特征进行简化后，建立关键构件的服役载荷谱；

(4)确定关键构件上的关键部位，然后根据该关键部位的应力(应变)和温度特征(简化后的测试结果)，选择等温拉-拉、拉-压、三点弯曲(四点弯曲)，热疲劳和热机疲劳中的一种或几种作为疲劳加载形式；

(5)根据关键部位的最大应力、几何形状、尺寸和表面状态，结合疲劳试验机最大载荷，制备等比例或缩放比例的简化构件以及与简化构件相对应的夹具工装，该简化构件能够反映关键部位的服役工况；

(6)结合步骤(3)中确定的服役载荷谱，按照步骤(4)中选择的疲劳加载形式，在疲劳试验机上测试简化构件的疲劳性能，进而计算服役构件的疲劳寿命。

上述步骤(1)中，所述关键构件的确定过程为：通过失效分析、有限元方法分析和/或文献调研的结果，确定服役动力设备中承受应力或应变最大的构件，该构件称之为关键构件。

上述步骤(2)中，所述验证和校对过程中应选择应变和温度的边界值(如最大值和最小值等)进行校对。

上述步骤(4)中，所述关键构件上的关键部位是指：在关键构件中，该关键部位的应力(应变)状态和表面状态都与服役构件一致，且并该关键部位能代表所述关键构件的服役工况。

所述步骤(6)具体采用以下两种方式进行：

第一种方式为：结合关键构件具体服役工况，通过有限元计算出服役构件在不同工况的载荷谱(内燃机在启动、停机、怠速和额定功率等工况)，再从相似工况中选择损伤最严重的工况(启停和额定功率)载荷谱作为加载应力幅，对待测构件进行应变控制的热机疲劳加载，至少测试三个样品，获得构件的疲劳寿命；

第二种方式为：对步骤(3)中简化后所得服役载荷谱进一步分为单独的启停和额定功率两个过程，两个过程分别按照载荷谱进行热机械疲劳和高温高周疲劳实验(热机疲劳的最高温度)，通过线性累积方法计算出构件的疲劳寿命。如果测试或计算寿命过于保守，可以考虑在增加一工况重复上述方法，获得相应疲劳寿命。