CN105302987B - 一种等效的预测热机械疲劳寿命的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种等效的预测热机械疲劳寿命的方法，涉及疲劳强度领域，该方法的步骤为：(1)使用有限元方法分别计算出热机械疲劳在最高温度处的高温疲劳数据和相应温度范围下的热应变数据；(2)将原有的在恒温下的三参数幂函数能量方法考虑热应变转化成含有热应变项的三参数幂函数能量方法；(3)将有限元计算的数据用改进的三参数幂函数能量法求得的等效能量与热机械试验的到数据计算的能量进行对照；(4)利用改进的三参数幂函数能量方法对热机械疲劳寿命进行预测；(5)在工程上，将等效能量法与拉伸滞后能模型使用分散带和标准差来衡量模型预测寿命的能力。预测结果说明该方法能较好的计算热机械疲劳寿命。

Description

一种等效的预测热机械疲劳寿命的方法

技术领域

本发明涉及疲劳强度领域，特指一种等效的预测热机械疲劳寿命的方法。

背景技术

热机疲劳强度设计是航空发动机、燃气涡轮机等高温部件强度设计的重要内容。实际服役中的发动机在启动，稳态飞行以及停机时，其发动机的涡轮叶片不仅仅承受恒温载荷同时也承受热机载荷的影响。这种加载条件大大缩短了涡轮发动机叶片的寿命同时降低了发动机关键零部件的可靠性。

目前热机械疲劳的寿命预测主要是使用在高温条件下的等温疲劳进行评估，而这种情况下却忽视了温度变化对发动机的损伤，所以这种传统的用高温疲劳来预测热机械疲劳方法的可靠性存在不确定性。因此，考虑温度变化产生的热应变对热机疲劳的影响，研究一种等效的预测热机械疲劳寿命的方法具有重要意义。

发明内容

本发明目的在于针对低周热机械疲劳的发展要求，提出了一种等效的预测热机械疲劳寿命的方法。

本发明所提供的一种等效的预测热机械疲劳寿命的方法，其步骤为：

步骤1)：使用有限元方法分别计算出热机械疲劳中在最高温度处的高温恒温疲劳数据和相应温度范围下的热应变数据；

步骤2)：将原有的在恒温下的三参数幂函数能量方法(3SE)在考虑热应变情况下转化成含有热应变项的三参数幂函数能量方法；

恒温下的三参数幂函数能量方法：

N_f(ΔW-W₀)^m＝C

其中，σ_max和σ_min为最大，最小应力，Δε_p为塑性应变范围，Δσ为应力范围，W₀为疲劳极限，m和C为材料常数；

步骤3)：利用改进的3SE模型将有限元计算的结果代入，计算出等效能量，并将结果与热机械试验得到的数据计算的3SE模型能量进行对照，改进的3SE模型为公式如下：

其中，Δε_th为热应变范围；

通过对照图显示出，等效能量与热机械试验数据得到的能量几乎相当；

步骤4)：利用改进的三参数幂函数能量方法对热机械疲劳寿命进行预测：

(1)利用改进的3SE模型得到的等效能量与循环失效数在对数坐标系下对比，发现能量与循环失效数呈线性关系，说明该方法对于寿命预测是可行的；

(2)将等效能量代入步骤2)的W-N曲线，得到寿命预测结果；

步骤5)：等效能量法与拉伸滞后能模型使用分散带和标准差来衡量模型预测寿命的能力；其分散带与标准差分别如下式：

分散带＝max(N_ob/N_pre,N_pre/N_ob)

其中N_pre和N_ob分别为预测寿命和试验寿命；

步骤(1)中有限元分析时所用的控制应变为热机械试验中的机械应变，结构分析时所用的材料常数为在对应的热机械疲劳最高温度下高温疲劳所对应的常数。

步骤(5)中拉伸滞后能预测寿命所用的数据是由热机械疲劳试验所得到的，而计算等效能量所用的数据为高温疲劳数据和热疲劳数据。

所述步骤1)有限元分析时所用的控制应变为热机械试验中的机械应变，结构分析时所用的材料常数为在对应的热机械疲劳最高温度下高温疲劳所对应的常数。

所述步骤5)中拉伸滞后能预测寿命所用的数据是由热机械疲劳试验所得到的，而计算等效能量所用的数据为高温疲劳数据和热疲劳数据。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。

本发明提出一种等效的预测热机械疲劳寿命的方法。该方法将热机疲劳中热应力循环和机械应力循环分别考虑，然后通过能量方法来预测热机疲劳寿命，该方法不需要进行复杂的热机疲劳试验，只需要进行相应载荷控制下的高温疲劳试验，以及计算出热机疲劳温度变化产生的热应变。该方法所需的材料常数可以根据相应高温试验数据拟合，节约试验成本。通过验证，采用该方法进行热机械疲劳寿命估算取得较好的预测效果。

附图说明

图1为单轴载荷条件下预测热机械疲劳寿命的方法流程图。

图2为热机械试验的循环载荷类型示意图。

具体实施方式

结合附图说明本发明的具体实施方式。

本发明通过热机疲劳试验对本发明做了进一步说明，试验的加载波形为三角波形，应力比为-1，不同的控制应变下进行的。

一种等效的预测热机械疲劳寿命的方法，具体实施方式如下：

步骤1)：用有限元方法分别计算出热机械疲劳在最高温度处的高温疲劳数据和相应温度范围下的热应变数据；在用有限元进行求解高温疲劳数据时，所用的控制应变转换位移公式为：

Δl＝l-l₀＝l₀(e^ε-1)

其中，l₀为试件的原始长度，ε为控制应变。

步骤2)：将原有的在恒温下的三参数幂函数能量方法(3SE)在考虑热应变情况下转化成含有热应变项的三参数幂函数能量方法；

恒温下的三参数幂函数能量方法：

N_f(ΔW-W₀)^m＝C

其中，σ_max和σ_min为最大，最小应力，Δε_p为塑性应变范围，Δσ为应力范围，W₀为疲劳极限，m和C为材料常数；

步骤3)：利用改进的3SE模型将有限元计算的结果包括结构分析得到相关高温疲劳参数以及在零载荷条件热分析得到热参数代入，计算出等效能量，并将结果与热机械试验得到的数据计算的3SE模型能量进行对照，改进的3SE模型为公式如下：

其中，Δε_th为热应变范围；

通过对照图显示出，等效能量与热机械试验数据得到的能量几乎相当；

步骤4)：利用改进的三参数幂函数能量方法对热机械疲劳寿命进行预测：

(1)利用改进的3SE模型得到的等效能量与循环失效数在对数坐标系下对比，发现能量与循环失效数呈线性关系，说明该方法对于寿命预测是可行的；

(2)将等效能量代入步骤2)的W-N曲线，得到寿命预测结果；

步骤5)：等效能量法与拉伸滞后能模型使用分散带和标准差来衡量模型预测寿命的能力；其分散带与标准差分别如下式：

分散带＝max(N_ob/N_pre,N_pre/N_ob)

其中N_pre和N_ob分别为预测寿命和试验寿命；

拉伸滞后能模型：

其中，C和β为材料常数，根据高温恒温疲劳得到。

为了验证本发明提出等效方法预测热机械疲劳寿命的效果，将本方法所得到的预测寿命结果与热机械疲劳试验得到的寿命进行比较，结果表明，考虑在恒温高温疲劳下对应热机疲劳热应变参数的等效预测寿命的方法对疲劳材料寿命预测结果误差分散在2倍因子之内。为了进一步表明等效方法预测能力，用分散带和标准差两个统计量来表示，将拉伸滞后能模型利用热机械疲劳所得数据得到的分散带与标准差与等效方法得到分散带和标准差进行比较，其结果相当。因此，提出的预测热机疲劳寿命的方法可以较好的预测单轴载荷条件下的热机械疲劳寿命。

Claims (3)

1.一种等效的预测热机械疲劳寿命的方法，其特征在于：步骤如下，

步骤1)：使用有限元方法分别计算出热机械疲劳中在最高温度处的高温恒温疲劳数据和相应温度范围下的热应变数据；

步骤2)：将原有的在恒温下的三参数幂函数能量方法即3SE在考虑热应变情况下转化成含有热应变项的三参数幂函数能量方法；

恒温下的三参数幂函数能量方法：

N_f(ΔW-W₀)^m＝C

其中，σ_max和σ_min为最大，最小应力，Δε_p为塑性应变范围，Δσ为应力范围，W₀为疲劳极限，m和C为材料常数；

步骤3)：利用改进的3SE模型将有限元计算的结果代入，计算出等效能量，并将结果与热机械试验得到的数据计算的3SE模型能量进行对照，改进的3SE模型为公式如下：

其中，Δε_th为热应变范围；

通过对照图显示出，等效能量与热机械试验数据得到的能量相当；

步骤4)：利用改进的三参数幂函数能量方法对热机械疲劳寿命进行预测：

(1)利用改进的3SE模型得到的等效能量与循环失效数在对数坐标系下对比，发现能量与循环失效数呈线性关系，说明该方法对于寿命预测是可行的；

(2)将等效能量代入步骤2)的W-N曲线，得到寿命预测结果；

步骤5)：等效能量法与拉伸滞后能模型使用分散带和标准差来衡量模型预测寿命的能力；其分散带与标准差分别如下式：

分散带＝max(N_ob/N_pre,N_pre/N_ob)

其中N_pre和N_ob分别为预测寿命和试验寿命。

2.根据权利要求1所述的一种等效的预测热机械疲劳寿命的方法，其特征在于：所述步骤1)有限元分析时所用的控制应变为热机械试验中的机械应变，结构分析时所用的材料常数为在对应的热机械疲劳最高温度下高温疲劳所对应的常数。

3.根据权利要求1所述的一种等效的预测热机械疲劳寿命的方法，其特征在于：所述步骤5)中拉伸滞后能预测寿命所用的数据是由热机械疲劳试验所得到的，而计算等效能量所用的数据为高温疲劳数据和热疲劳数据。