CN101598650A - 确定构件载荷-寿命曲线及其工作寿命的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种估算构件工作寿命的方法，包括下列步骤：a.初步估计构件的疲劳极限，并统计实际工况下构件的载荷谱；b.在上述估计疲劳极限的20％以下开始对构件进行等幅循环加载，进行构件疲劳试验，并利用红外摄像仪实时测量试验过程中构件表面的温度变化；c.当构件表面的温度稳定时，加大试验载荷继续试验，每级载荷下都会有一个温度稳定的阶段，达到这个阶段即加大试验载荷直至该构件破坏，试验结束；d.根据实验数据计算该构件在每一级应力作用下的疲劳寿命进而可以绘制该构件的应力－寿命曲线；e.从应力－寿命曲线中查找载荷谱中各个载荷的疲劳寿命，由公式计算构件的工作寿命。

Description

确定构件载荷-寿命曲线及其工作寿命的方法

技术领域

本发明涉及估算构件工作寿命的方法，尤其涉及一种利用红外热像技术快速确定构件载荷-寿命曲线，并根据该曲线估算构件工作寿命的方法。

背景技术

现有技术确定构件载荷-寿命曲线的方法和传统确定材料应力-寿命曲线的方法相同，在某一级载荷水平测量一个或一组试件的寿命，通过一系列试验得到不同载荷水平下的构件疲劳寿命，从而绘制载荷-寿命曲线。这种方法一个试件只能在一级载荷水平上进行试验，每一级载荷都要试验到试件破坏，耗时长，需要构件数量多，成本高。

实际构件的载荷多为随机载荷，对于承受随机载荷的构件，为获得其工作寿命，传统的做法是在设计载荷下进行验证性疲劳试验。目前采用的试验方法主要有程序疲劳试验法和随机疲劳试验法。程序疲劳试验法将实测的载荷-时间历程简化为能反应真实情况的具有代表性的典型载荷谱，然后再将编出的程序载荷谱缩小为程序块并按一定的加载次序进行程序疲劳试验。随机疲劳试验法使用载荷复现，将现场的使用载荷-时间历程用磁带记录，试验时将它反输到试验机中。程序疲劳试验法和随机疲劳试验法都只是验证性的试验方法，不能确定构件的载荷-寿命曲线，一种试验结果只能应用于某一特定工况下的构件，而且，随机疲劳试验必须使用昂贵的随机疲劳试验机，试验费用很高。由此可见，现有技术中的构件疲劳试验方法存在成本高，试验数据应用范围窄等缺点。

此外，即使采用传统的构件疲劳试验方法得到构件的载荷-寿命曲线，也不能确定该构件在实际工作载荷下的疲劳寿命，因为，构件的工作载荷很少是单一载荷，一般都是由随机载荷构成。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术中存在的问题，提出一种利用红外热像技术快速确定构件载荷-寿命曲线，并根据该曲线估算构件工作寿命的方法。

近年的疲劳破坏研究发现，通过观测构件表面温度变化可以确定裂纹位置。在材料力学中，假设同一构件，在某一载荷作用下单周产生的塑性功W_i是常数，构件破坏所产生的总塑性功也是常数。此时，对构件逐级施加循环载荷直到构件破坏与构件在同一级载荷作用下破坏产生的塑性功是相等的。

即：∑W_jn_j＝W_iN_i＝C                    (1)

n_j为σ_j级应力对应的循环周次，N_i为试件在应力σ_i作用下的疲劳寿命

根据热传导方程： $\mathrm{\ρc}\frac{\∂T}{\∂t}=k{\▿}^{2}T+Q---\left(2\right)$

当温度稳定时有：

再进一步假设塑性功率与由塑性功引起的热耗散率成正比，因此：

将(4)代入(1)最后可得到：

$N_i=\frac{\mathrm{\Σ\Δ}{T}_j{n}_j}{\mathrm{\Δ}{T}_i}---\left(5\right)$

由上述推导可以看出，通过观测疲劳过程中的温度变化，测得不同载荷作用下的稳定温升ΔT_j，以及每级载荷作用下的循环周次n_j，可以得到各级载荷下构件的疲劳寿命，从而快速确定其载荷-寿命曲线。

在上述力学模型下，再根据Miner线性累积损伤定律：

$\frac{n_1}{N_1}+\frac{n_2}{N_2}+\frac{n_3}{N_3}+...+\frac{n_m}{N_m}=1---\left(6\right)$

则： $(\frac{{\mathrm{\α}}_1}{N_1}+\frac{{\mathrm{\α}}_2}{N_2}+\frac{{\mathrm{\α}}_3}{N_3}+...+\frac{{\mathrm{\α}}_m}{N_m})\×N=1---\left(7\right)$

其中N为构件的总工作寿命，

为构件在某一级载荷σ_m作用下循环周次与疲劳寿命的比值，α_m为载荷谱中σ_m作用时间占单个载荷块作用时间的比例。

因此，本发明的构思是利用红外热像技术记录循环加载过程中试件表面温度达到稳定时的温升值以及每一级载荷作用的循环周次，得出构件的载荷-寿命曲线，然后，再由Miner线性累积损伤定律估算出构件在实际工况下的工作寿命。

本发明提出的利用红外热像技术快速确定构件载荷-寿命曲线，并根据该曲线估算构件工作寿命的方法包括下列步骤：

a.首先根据构件材料的已有力学参数(如该构件材料的抗拉强度或疲劳极限)，初步估计该构件的疲劳极限，并统计编制该构件实际工况下的载荷谱；

b.在上述估计的构件疲劳极限的20％以下开始对构件进行等幅加载疲劳试验，并利用红外摄像仪实时测量试验过程中构件表面的温度变化；

c.当构件表面的温度稳定时，加大试验载荷继续试验，构件表面的温度会继续上升，之后在另一个更高的水平上达到稳定，又加大载荷依此直至该构件破坏，试验结束，载荷增幅Δσ根据构件材料性能和上一级试验温升值选取；

d.根据实验数据：每级载荷作用下的稳定温升ΔT_j，以及对应的加载次数n_j，由公式(5)计算各级载荷的疲劳寿命，绘制构件的应力-寿命曲线；

e.从应力-寿命曲线中查找载荷谱中各个载荷的疲劳寿命，由公式(7)计算构件的工作寿命。

本发明所述的方法还包括用经验数据对估算的构件工作寿命进行修正的步骤。

与现有技术相比，本发明提出的确定构件工作寿命的方法可以在一个试件上进行多级载荷水平的试验，得出该构件的载荷---寿命曲线，节省时间，成本低廉。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，其中：

图1是本发明实验过程中构件的温升-循环周次曲线图；

图2是本发明方法得到的构件载荷-寿命曲线图。

具体实施方式

本发明提出的利用红外热像技术快速确定构件载荷-寿命曲线，并根据该曲线估算构件工作寿命的方法包括下列步骤：

首先，根据构件材料的已有力学参数(如该构件材料的抗拉强度或疲劳极限)，初步估计该构件的疲劳极限，并统计编制实际工况下该构件的载荷谱。

然后，在上述估计的构件疲劳极限的20％以下开始对构件进行等幅疲劳试验，并利用红外摄像仪实时观测试验过程中构件表面的温度变化。

当温度稳定时，加大试验载荷继续试验，载荷增幅参考构件材料性能和上一级实验温升值。每级载荷下都会有一个温度稳定的阶段，达到这个阶段即增加载荷直至构件破坏，试验结束。如图1所示，等幅加载疲劳试验的初始试验载荷为σ₁，在此载荷下工作一段时间后构件表面温度达到稳定值ΔT₁，接着加大试验载荷至σ₂，一段时间后温度又达到一个更高的稳定值ΔT₂，于是又加大工作载荷，依此类推逐级增加试验载荷(σ_i为温升稳定i-1次之后的试验载荷)直到构件破坏，试验结束，如图1所示。

接着，根据实验数据：每级载荷作用下的稳定温升ΔT_j，以及对应的加载次数n_j，由公式(5)计算各级载荷的疲劳寿命，绘制构件的应力-寿命曲线；如图2所示。

当需要估算一个构件在实际工况下的工作寿命时，首先根据载荷谱找出所有各级载荷及各级载荷所占的比例，在图(2)中以各级载荷为纵坐标，其对应的横坐标即是各个载荷的疲劳寿命，然后根据公式(7)计算构件在实际工况下的工作寿命。

由于试验载荷与实际载荷存在一些差异，如加载顺序不完全一样等，需要对计算出的寿命加以修正。

Claims (3)

1、一种确定构件载荷-寿命曲线及其工作寿命的方法，其特征在于包括下列步骤：

a.根据构件材料的已有力学参数初步估计该构件的疲劳极限，并统计编制该构件实际工况下的载荷谱；

b.在上述估计的构件疲劳极限的20％以下开始对构件进行等幅加载的疲劳试验，并利用红外摄像仪实时测量试验过程中构件表面的温度变化；

c.在初始载荷下当构件表面的温度稳定时，加大试验载荷继续试验，构件表面的温度会继续上升，之后在另一个更高的载荷水平上达到稳定，又加大载荷依此直至该构件破坏，试验结束，载荷增幅Δσ根据构件材料性能和上一级试验温升值选取；

d.根据实验数据：每级载荷作用下的稳定温升ΔT_j，以及对应的加载次数n_j， $N_i=\frac{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\ΔT}}_j{n}_j}{{\mathrm{\ΔT}}_i}$ 计算各级载荷的疲劳寿命，并绘制构件的应力-寿命曲线；

e.从应力-寿命曲线中查找载荷谱中各个载荷的疲劳寿命，由 $(\frac{{\mathrm{\α}}_1}{N_1}+\frac{{\mathrm{\α}}_2}{N_2}+\frac{{\mathrm{\α}}_3}{N_3}+...+\frac{{\mathrm{\α}}_m}{N_m})\×N=1$ 计算构件的工作寿命。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤a中所述的已有力学参数是构件材料的屈服极限或疲劳极限。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于：还包括用经验数据对估算的构件工作寿命进行修正的步骤。

Images