CN103344511A - 一种大功率柴油机铝合金活塞的蠕变-疲劳寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大功率柴油机铝合金活塞的蠕变-疲劳寿命预测方法，属于材料科学与工程应用技术领域。本发明方法考虑了以大功率柴油机大范围、周期性工况变化对活塞结构疲劳寿命的影响，定义了一种新的疲劳周期来预测活塞的寿命；考虑发动机在长期的变工况工作条件下，材料内部产生的蠕变损伤与疲劳损伤之间的非线性耦合作用，基于损伤力学的方法构建的蠕变-疲劳寿命预测模型，能够有效地解决两种损伤之间的非线性耦合作用。

Description

一种大功率柴油机铝合金活塞的蠕变-疲劳寿命预测方法

技术领域

本发明涉及一种大功率柴油机铝合金活塞的蠕变-疲劳寿命预测方法，属于材料科学与工程应用技术领域。

背景技术

目前，出于能源、效率和高功率比的需求，高速、重载、大功率柴油机得到快速地发展，这种新型大功率柴油机的缸内燃气温度、最大爆发压力不断增大。大功率柴油机燃烧室结构件活塞所承受的最高温度已经达到400℃左右，爆发压力超过20MPa。

在大功率柴油机的正常工作过程中，活塞结构承受循环的机械载荷和热负荷作用，在长期连续的工作条件下，活塞结构往往会发生突然的疲劳破坏。特别是当前普遍采用的铝合金活塞，由于铝合金材料自身的熔点低、高温强度及抗热疲劳特性较差，这种疲劳失效现象更加严重，大幅降低了大功率柴油机整机的燃油经济性、可靠性和安全性。

大功率柴油机铝合金活塞由于长期在重载、高温环境下工作，材料内部产生的蠕变损伤和疲劳损伤的非线性耦合作用是决定其疲劳寿命的主导因素。蠕变是指在恒定的应力加载条件下，材料或结构的塑性应变不断增加的现象。一般对于高温下工作的结构件，判断是否考虑其蠕变变形的准则一般是对比材料的实际表面温度与自身熔点T_mel的比值。当这一比值高于0.4时，一般认为蠕变变形带来的损伤不能忽略。对于大功率柴油机活塞所采用的铝合金材料，其熔点一般为700℃-800℃，在活塞正常的工作条件下，其头部最高温度在400℃左右，这种条件下材料的蠕变损伤变得十分明显，不能忽略。此外，在循环高温载荷下，材料内部产生的蠕变损伤与疲劳损伤之间产生复杂、非线性的相互作用，这更加速了结构的疲劳失效过程。

用于预测活塞结构的蠕变-疲劳寿命方法或模型，现在已经有很多。但这些模型、方法存在两方面问题。首先，传统的预测蠕变-疲劳寿命的方法一般基于常幅疲劳载荷的寿命预测模型，即预测模型只能预测结构在某一常幅载荷作用下直至疲劳破坏的寿命。比如在工程实际中常用的Coffin、SRP（应变幅分割）、Dang-Van和基于能量的模型等。在对这些模型进行参数确定时，通常是采用以下实验步骤：采用标准疲劳试件，加热试件至某一高温，保温一段时间，施加幅值恒定的循环载荷，实验至试件断裂；改变循环载荷大小，进行另一组疲劳实验；根据获得的疲劳数据，进行模型参数校核。

实际的结构所承受的往往是变幅、多级的疲劳载荷，即在一个循环周期内，包含有若干幅值不等或大小不一的载荷。针对这种问题，传统的处理方法是进行载荷谱分析和损伤累积。载荷谱分析用以确定一个疲劳循环周期内的等效常幅疲劳载荷。损伤累积则用来将不同幅值疲劳载荷所造成的损伤进行累积。常用的损伤累积方法包括线性累积、非线性累积等。这两种损伤累积都是在上述常幅疲劳载荷的损伤基础上进行数学形式上的累加，物理背景模糊。上述的这种依赖于单级常幅疲劳载荷的寿命预测模型和损伤累积方法，对于多级变幅疲劳载荷的处理，明显与实际结构件的损伤机制大不相同，因为实际结构件每一循环的多级载荷是一个连续施加的过程，每级载荷下的损伤之间存在强烈地相互作用，而传统的寿命预测方法不能体现这种相互作用。

另外一方面，传统的针对活塞的蠕变-疲劳寿命预测方法难以实现蠕变损伤与疲劳损伤之间的非线性耦合作用。蠕变损伤与疲劳损伤是两种完全不同的损伤形式，二者的损伤机理十分不同。蠕变损伤是一种材料内部的破断过程，损伤从晶界微裂或空洞处起始并逐渐增长，晶界滑移引起晶粒角和沿晶不规则处应力集中，生成空穴。疲劳损伤是材料内部在循环载荷下局部进入屈服状态，萌生多种类型的内部缺陷，如位错、滑移、孔洞等，形成一定的应力集中，通过反复的塑性变形，经一定时间后导致微裂纹的产生，微裂纹长大、合并，形成一条或几条主裂纹，主裂纹扩展最终产生断裂。

在寿命预测中，如何实现蠕变损伤与疲劳损伤的非线性耦合，目前的研究并没有给出有效地解决方案。但这种耦合损伤对疲劳寿命影响很大，在预测结构的疲劳寿命时需进行充分考虑。

具体到大功率柴油机活塞结构，除了上述提到的疲劳寿命预测模型或方法方面存在的问题，还存在疲劳载荷周期定义的问题。目前，对大功率柴油机活塞结构进行的疲劳分析主要包括两类：其一是以爆发（燃烧）循环为载荷周期的高周疲劳寿命分析，另外就是以柴油机启-停循环为载荷周期的高温低周或热-机疲劳分析。这两种分析方法结合了疲劳分析的要求和实际结构件的载荷特征。但这种疲劳载荷的定义忽略了大功率柴油机的长期连续、变工况的影响。对于高速大功率柴油机结构，以爆发循环来评定其疲劳寿命，其实际意义并不明显，而采用启-停循环来研究其疲劳寿命又不能充分考虑大功率柴油机连续工作过程及负荷循环变化给结构带来的损伤。因此，需要针对大功率柴油机的实际工作载荷特征，提出一种活塞结构新的疲劳寿命预测方法，该方法一方面要能够充分体现大功率柴油机长时间、变工况循环对结构寿命的影响，另一方面又能准确、充分考虑蠕变损伤和疲劳损伤之间的非线性耦合作用，进而可以在工程实践中准确地分析活塞的疲劳寿命，评估活塞结构的疲劳可靠性，防止突然的疲劳失效的发生。

发明内容

本发明针对现有大功率柴油机活塞结构蠕变-疲劳寿命预测方法存在的不足，提供一种大功率柴油机铝合金活塞的蠕变-疲劳寿命预测方法，该方法既能充分体现活塞结构所承受的疲劳载荷特征，又能实现蠕变损伤与疲劳损伤的非线性耦合。

一种大功率柴油机铝合金活塞的蠕变-疲劳寿命预测方法，具体包括以下步骤：

步骤一，以柴油机的工况循环为疲劳分析周期，其中的疲劳载荷具备的特征为：机械载荷高频循环变化，温度低频跳跃式循环变化。从而使得发动机工况变化时，结构件表面温度的低频周期性循环变化和机械载荷的高频周期性循环变化能够通过疲劳载荷进行有效表征。

步骤二，以连续损伤力学分析为基础，将材料的高温蠕变损伤和疲劳损伤进行非线性损伤耦合分析，建立材料的蠕变-疲劳寿命预测模型为：

$N_p={\{(1+r)\underset{0}{\overset{t_2}{\∫}}\left(\frac{\mathrm{\σ}\left(t\right)}{A}\right)\mathrm{dt}+{\left(\frac{\mathrm{\Δ\σ}}{M}\right)}^{\mathrm{\γ}\frac{T_{\max }-T_{\min }}{T_{\max }}}\}}^{-1}$

其中，

N_p为材料的蠕变-疲劳寿命，用疲劳载荷循环次数表示；

r是与蠕变损伤相关的材料常数，无量纲；

A是与蠕变损伤相关的材料常数，单位为MPa；

M是与疲劳损伤相关的材料常数，单位为MPa；

γ是与疲劳损伤相关的材料常数，无量纲；

0-t₂代表一个疲劳周期内机械载荷中的拉应力作用时间，单位为s；

σ(t)为机械载荷中的拉应力与时间相关的函数，单位为MPa；

△σ为机械载荷的应力幅值，单位为MPa；

T_max为温度循环的最高温度，单位为℃；

T_min为温度循环的最低温度，单位为℃。

步骤三，材料蠕变-疲劳寿命预测模型的参数确定。

步骤3.1，参照国标GB\T15248-2008基本要求，选取一个温度范围（即温度载荷的最大值和最小值）进行材料级的蠕变-疲劳实验。选择的温度范围包含活塞正常工作条件下的温度的最高值；温度循环的周期能体现实际工况周期性变化的特征，温度的升降时间小于温度循环周期，机械载荷周期高于温度循环周期。经过实验，得到该温度范围下的一组材料疲劳数据。

步骤3.2，改变温度范围，每改变一次，重复步骤3.1的蠕变-疲劳实验，得到多组不同温度范围下的材料疲劳实验数据。

步骤3.3，对得到的多组蠕变-疲劳实验数据进行处理，采用数值分析的手段获得蠕变-疲劳寿命预测模型中r，A，M，γ的具体数值。

步骤四，计算大功率柴油机铝合金活塞在以工况变化为疲劳周期的有限元强度。

步骤4.1，选定两种工况，进行活塞结构温度场和应力场分析，并与实际结构件的测温实验数据进行对比分析，如果相对误差小于5%认为数值结果准确；相反地，则修改有限元热分析中的换热边界（对流系数或环境温度）使得数值结果满足误差要求。推荐的两种工况为额定工况和部分负荷工况。

步骤4.2，以步骤4.1获得的活塞结构准确的应力和温度场为基础，采用步骤二的蠕变-疲劳寿命预测模型，并结合步骤三得到的模型参数对活塞结构件进行损伤分析和寿命预测。

选择额定工况下的活塞温度场作为模型中温度的最大值，部分负荷工况的温度场为最小值带入模型中；两工况下的Mises应力的平均值作为应力幅值带入模型；两种工况下的Mises应力进行积分带入模型中，即：

T_max=额定工况下的温度

T_min=部分负荷工况下的温度

△σ=（额定工况下的Mises应力+部分负荷工况下的Mises应力）/2

(额定工况下的Mises应力+部分负荷工况下的Mises应力)dt

t₂取值与材料实验时的时间一致。

通过数值计算，得到大功率柴油机铝合金活塞结构的蠕变-疲劳寿命。

有益效果

本发明和目前的蠕变-疲劳寿命预测技术相比，主要存在以下特点：1.考虑了以大功率柴油机大范围、周期性工况变化对活塞结构疲劳寿命的影响，定义了一种新的疲劳周期来预测活塞的寿命。2.考虑发动机在长期的变工况工作条件下，材料内部产生的蠕变损伤与疲劳损伤之间的非线性耦合作用，基于损伤力学的方法构建的蠕变-疲劳寿命预测模型，能够有效地解决两种损伤之间的非线性耦合作用。

附图说明

图1为本发明的蠕变-疲劳寿命预测方法流程图；

图2为本发明的变工况下的疲劳载荷形式示意图；其中（a）为疲劳载荷中的温度循环，（b）为疲劳载荷中的机械载荷循环；

图3是实施例中活塞的损伤云图。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步说明。

由于车用柴油发动机长期、变工况的工作状态，导致燃烧室结构件承受随发动机工况变化而循环的热机载荷作用，进行该循环载荷特征下的蠕变-疲劳寿命预测首先要确定疲劳循环载荷。定义的大功率柴油机在工况变化下的疲劳循环载荷形式如图2所示，横轴为时间，纵轴分别为温度和循环机械应力。

材料在上述疲劳载荷特征下的蠕变损伤演化方程可表示为：

${\mathrm{dD}}_c={\left(\frac{\mathrm{\σ}\left(t\right)}{A}\right)}^r(1+r)\frac{{(1-D_c)}^{-m}}{m+1}\mathrm{dt},$

其中，D_c为蠕变损伤参量，t为时间，A，r，m是与温度相关的材料常数。σ(t)代表一个循环周期内，机械载荷中的拉应力与时间相关函数的表达式：

$\mathrm{\&sigma;}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}\left(\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{\max }}{t_1}\right)t,(0<t<t_1)\\ \left(\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{\max }(t-t_2)}{t_1-t_2}\right)(t_1<t<t_2)\end{array}\right.,$

其中，σ_max代表附图2中的机械应力最大值，t₁和t₂代表机械应力每一循环周期内对应的拉应力起止时间。

蠕变损伤的演化方程可以以通式的形式表达为：

dD_c=f_c(σ(t),T,D_c)dt

其中，T代表温度。

对于疲劳损伤，其通式表示为：

dD_f=f_f(△σ,T,D_f)dN

D_f代表疲劳损伤参量，N为循环次数，△σ为附图2中机械应力幅值。

$\mathrm{\&Delta;\&sigma;}=\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{\max }-{\mathrm{\&sigma;}}_{\min }}{2},$

具体的演化方程可以表示为：

${\mathrm{dD}}_f=\frac{{(1-D_f)}^{-m}}{1+m}{\left(\frac{\mathrm{\&Delta;\&sigma;}}{M}\right)}^{\mathrm{\&beta;}\left(T\right)}\mathrm{dN},$

其中，M和m为温度相关的材料常数，β(T)为与温度相关的参量：

$\mathrm{\&beta;}\left(T\right)=\mathrm{\&gamma;}\frac{T_{\max }-T_{\min }}{T_{\max }},$

γ为材料常数，T_max代表附图2中温度的最大值，T_min代表温度的最小值。

根据连续损伤力学理论，蠕变损伤与疲劳损伤之间相互作用，材料内的总损伤增量可以表示为：

dD=dD_c+dD_f，

在蠕变-疲劳损伤耦合作用下，蠕变损伤与疲劳损伤的通式改写为：

蠕变损伤：

dD_c=f_c(σ(t),T,D)dt

疲劳损伤：

dD_f=f_f(△σ,T,D)dN

则总损伤的增量为两种损伤增量之和，表示为：

dD=dD_c+dD_f=f_c(σ(t),T,D)dt+f_f(△σ,T,D)dN

带入上述两种损伤的具体表达式，则得到总损伤的表达式为：

$\mathrm{dD}={\left(\frac{\mathrm{\&sigma;}\left(t\right)}{A}\right)}^r(1+r)\frac{{(1-D)}^{-m}}{m+1}\mathrm{dt}+\frac{{(1-D)}^{-m}}{1+m}{\left(\frac{\mathrm{\&Delta;\&sigma;}}{M}\right)}^{\mathrm{\&gamma;}\frac{T_{\max }-T_{\min }}{T_{\max }}}\mathrm{dN}$

这样，材料的总损伤就实现了非线性地耦合作用。对上式进行积分，得到材料的蠕变-疲劳寿命预测模型：

$N_p={\{(1+r)\underset{0}{\overset{t_2}{\&Integral;}}\left(\frac{\mathrm{\&sigma;}\left(t\right)}{A}\right)\mathrm{dt}+{\left(\frac{\mathrm{\&Delta;\&sigma;}}{M}\right)}^{\mathrm{\&gamma;}\frac{T_{\max }-T_{\min }}{T_{\max }}}\}}^{-1}$

其中，

N_p为材料的蠕变-疲劳寿命，用疲劳载荷循环次数表示；

r是与蠕变损伤相关的材料常数，无量纲；

A是与蠕变损伤相关的材料常数，MPa；

M是与疲劳损伤相关的材料常数，MPa；

γ是与疲劳损伤相关的材料常数，无量纲；

0-t₂代表一个疲劳周期内机械载荷中的拉应力作用时间，s；

σ(t)为机械载荷中的拉应力与时间相关的函数，MPa；

△σ为机械载荷的应力幅值，MPa；

T_max为温度循环的最高温度，℃；

T_min为温度循环的最低温度，℃。

针对某型大功率柴油发动机铝合金活塞结构，具体的蠕变-疲劳寿命预测过程为：

1.蠕变-疲劳寿命预测模型的参数校正。进行铝合金材料的疲劳实验，具体的实验载荷形式参照附图2所示。这里选择的温度范围为200-350℃和350-400℃，温度循环时间为1小时，机械载荷循环时间为2秒。根据实验数据得到模型的各参数具体值列于表1。

表1  蠕变-疲劳寿命预测模型各参数

温度（℃）	γ	A(MPa)	r	M(MPa)
					200-350	19.8	499.7	5.4	21381.3
350-400	18.0	315.9	6.2	32742.8

2.活塞的有限元计算。这里选择的循环工况为额定工况和60%的额定工况两种，根据实际的测温实验校正活塞热边界，最后得到活塞的温度场和应力场。

3.以结构准确的应力和温度场为基础，采用上述蠕变-疲劳寿命预测模型对结构进行损伤分析和寿命预测。其中，两种工况下，选择额定工况的温度场作为模型中温度的最大值，另一工况的温度场为最小值带入模型中；两工况下的Mises应力的平均值作为应力幅值带入模型；两种工况下的Mises应力进行积分带入模型中，即：

T_max=额定工况下的温度

T_min=部分负荷工况下的温度

△σ=（额定工况下的Mises应力+部分负荷工况下颚Mises应力）/2

(额定工况下的Mises应力+部分负荷工况下的Mises应力)dt

t₂取值与材料实验时的时间一致，2秒。

4.得到活塞的损伤分布和寿命值，实施例中的活塞最大损伤出现在活塞顶部喉口边缘区域，如图3中阴影部分所示。最大损伤值为0.00072，活塞寿命为1380小时，该活塞结构满足大功率柴油机结构件可靠性台架考核的1000小时要求。

本发明提出的大功率柴油机铝合金活塞蠕变-疲劳寿命预测方法既可以用于两种循环工况下的寿命计算，又可以进行载荷工况的扩展情况，比如每一循环中考虑多于两种工况变化的载荷情况，只需在进行材料级实验时进行必要的同步修改，使得材料实验与实际工况具备一定的相关性，具有很好的可扩展性。这种寿命预测方法基于建立的蠕变-疲劳寿命预测模型，结构形式简单、易用，既拓展了大功率柴油机活塞的疲劳寿命分析方法，也能在工程实际应用得到快速应用。

Claims (2)

1.一种大功率柴油机铝合金活塞的蠕变-疲劳寿命预测方法，其特征在于：具体流程如下：

步骤一，以柴油机的工况循环为疲劳分析周期，其中的疲劳载荷具备的特征为：机械载荷高频循环变化，温度低频跳跃式循环变化；能有效表征发动机工况变化时，结构件表面温度的低频周期性循环变化和机械载荷的高频周期性循环变化；

步骤二，以连续损伤力学分析为基础，将材料的高温蠕变损伤和疲劳损伤进行非线性损伤耦合分析，建立材料的蠕变-疲劳寿命预测模型为：

$N_p={\{(1+r)\underset{0}{\overset{t_2}{\&Integral;}}\left(\frac{\mathrm{\&sigma;}\left(t\right)}{A}\right)\mathrm{dt}+{\left(\frac{\mathrm{\&Delta;\&sigma;}}{M}\right)}^{\mathrm{\&gamma;}\frac{T_{\max }-T_{\min }}{T_{\max }}}\}}^{-1}$

其中，

N_p为材料的蠕变-疲劳寿命，用疲劳载荷循环次数表示；

r、A是与蠕变损伤相关的材料常数；

M、γ是与疲劳损伤相关的材料常数；

0-t₂代表一个疲劳周期内机械载荷中的拉应力作用时间；

σ(t)为机械载荷中的拉应力与时间相关的函数；

△σ为机械载荷的应力幅值；

T_max为温度循环的最高温度；

T_min为温度循环的最低温度；

步骤三，确定材料蠕变-疲劳寿命预测模型的参数；

步骤3.1，参照国标GB\T15248-2008基本要求，选取一个温度范围进行材料级的蠕变-疲劳实验，得到该温度范围下的一组材料疲劳数据；

步骤3.2，改变温度范围，每改变一次，重复步骤3.1的蠕变-疲劳实验，得到多组不同温度范围下的材料疲劳实验数据；

步骤3.3，对得到的多组蠕变-疲劳实验数据进行处理，采用数值分析的手段获得蠕变-疲劳寿命预测模型中r，A，M，γ的具体数值；

步骤四，计算大功率柴油机铝合金活塞在以工况变化为疲劳周期的有限元强度；

步骤4.1，选定额定工况和部分负荷工况，分别进行活塞结构温度场和应力场分析，并与实际结构件的测温实验数据进行对比分析，如果相对误差满足任务要求，认为数值结果准确；否则修改有限元热分析中的换热边界使得数值结果满足误差要求；

步骤4.2，以步骤4.1获得的活塞结构准确的应力和温度场为基础，采用步骤二的蠕变-疲劳寿命预测模型，并结合步骤三得到的模型参数对活塞结构件进行损伤分析和寿命预测；

选择额定工况下的活塞温度场作为模型中温度的最大值，部分负荷工况的温度场为最小值带入模型中；两工况下的Mises应力的平均值作为应力幅值带入模型；两种工况下的Mises应力进行积分带入模型中；通过数值计算，得到大功率柴油机铝合金活塞结构的蠕变-疲劳寿命。

2.根据权利要求1所述的一种大功率柴油机铝合金活塞的蠕变-疲劳寿命预测方法，其特征在于：步骤三选择的温度范围包含活塞正常工作条件下的温度的最高值；温度循环的周期能体现实际工况周期性变化的特征，温度的升降时间小于温度循环周期，机械载荷周期高于温度循环周期。

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