CN107228761A - 一种复杂载荷和环境下的构件寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂载荷和环境下的构件寿命预测方法，属于构件疲劳性能测试技术领域。本发明通过有限元等方法分析关键构件不同工况应力(应变)状态和温度分布，结合实际测试进行验证；根据构件关键部位的形状、表面状态设计出反映形状和应力(应变的)特征的简化构件；根据应力和温度特征，建立构件的服役条件载荷谱，适当简化确认加载形式；制作测试构件和对应夹具工装，然后在试验机上按照载荷谱测试构件的疲劳性能，进而获得服役构件的疲劳寿命。本发明解决了复杂载荷和环境下的关键构件难于测试和材料的高温疲劳性能测试成本很高的问题，测试成本低、时间短、操作方便，适用于内燃机和燃气轮机制等复杂服役工况的构件。

Description

一种复杂载荷和环境下的构件寿命预测方法

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。

本发明设计原理及有益效果如下：

本发明通过有限元方法分析关键构件不同工况承载状态和温度分布；结合实际测试和失效分析等结果，确认关键构件的危险部位；根据构件最危险部位的形状设计出反映形状和应力(应变的)特征的简化构件；根据应力(应变)和温度的变化范围规律，建立构件的载荷谱，进行适当简化确认加载形式；制作简化构件和对应夹具工装，然后在试验机上按照载荷谱测试构件的疲劳性能，进而测试服役构件的疲劳寿命。本发明解决了复杂载荷和环境下的关键构件难于测试和材料的高温疲劳性能测试成本很高的问题，提供了一种基于复杂载荷和环境的构件疲劳性能测试、表征与优化方法。本发明通过分析验证和合理设计，可在配有电阻或电磁感应加热设备的常规疲劳试验机上实现，测试成本低、时间短、操作方便，适用于内燃机和燃气轮机制等复杂服役工况的构件。

附图说明

图1内燃机缸盖示意图及其危险位置，图中方框为危险位置。

图2为柴油机内燃机在启动、停机和运行等工况应力(应变)示意图：(a)启停、怠速和运行三种工况；(b)启停和高速运行两种工况；(c)简化启停工况；(d)简化高速运行工况。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，以下结合实施例对本发明进行描述，但实施例仅为对本发明的特点和优点做进一步阐述，而不是对本发明权利要求的限制。

实施例1

采用本发明方法，利用带有加热设备的常规实验机，对动力设备内燃机进行缸盖火力面关键构件的疲劳寿命测试。

缸盖是形状和结构复杂、服役工况最恶劣的内燃机燃烧室构件。内燃机缸盖内部有复杂的冷却水腔、进气道和排气道，断面壁厚差很大。缸盖工作时，燃烧室火力面一侧和排气道受到高压高温燃气高频率反复冲刷，进气道和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；而且工作过程中反复受到高压燃气和气门冲击，要承受很高的热机械循环载荷作用。这个复杂的区域称之为“鼻梁区”(如图1所示方框)。缸盖构件的失效大部分源于鼻梁区的热机械疲劳(如图1所示的裂纹)，具体测试过程举例如下：

(1)通过失效分析，并结合有限元方法分析和文献调研的结果，确认内燃机各构件中应力或应变最大的构件，该构件称之为关键构件，对于内燃机来讲，缸盖是关键构件之一(如图1所示)；

(2)通过有限元计算不同工况(例如，启动、停机、运行(怠速、不同额定功率)等)下关键构件(即缸盖)的应力(应变)和温度的变化及分布情况，热载荷与机械载荷如图2(a)所示；

(3)结合关键构件的应力(应变)和温度特征，选择关键构件上典型位置测试实际的应变和温度变化和分布情况，并根据实际测试结果对步骤(2)中有限元分析结果进行验证和校对，尽量选择应变和温度的最大和最小值等边界值(图2(a)中的圆点处)进行校对；

(4)将校对后的有限元分析的应力(应变)和温度随工况的变化规律进行适当简化，适当考虑测试设备的特性，建立关键构件的服役载荷谱；对于内燃机来讲，其简化后的载荷谱如图2(b)所示，选择损伤最严重的工况(启停和高速运行(例如额定功率和80％额定功率等))；考虑到冷却速度，热载荷的起始温度设定在120℃，最高温度为120℃，升温降温各60秒；

(5)确定关键构件上的关键部位，所确定的关键部位的应力(应变)状态与服役构件一致并能代表构件的服役工况。对于内燃机缸盖来讲，缸盖最危险位置是鼻梁区(如图1所示方框)；

(6)根据关键部位的温度和应力(应变)状态(简化后的载荷谱)，选择等温拉-拉、拉-压、压-压、三点弯曲(四点弯曲)、热疲劳或热机疲劳等作为疲劳加载形式；对于缸盖鼻梁区说，可只选择压-压载荷作为机械加载形式；

(7)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，制备等比例或比例缩放的测试简化构件以及与其对应的夹具工装，该测试用简化构件能够反映关键部位的服役工况，对于缸盖，测试样品的工作段就是一个完整的鼻梁区，就是全弧的疲劳样品；

(8)结合图2(b)中载荷谱，为了提高效率，在疲劳试验机上进行应力控制的热机疲劳实验，至少测试三个样品，获得简化构件的疲劳寿命，并与台架或实际服役构件的寿命对比，建立简化构件和实际构件的定量关系。

实施例2

与实施例1不同之处在于：步骤(8)的具体过程不同，本实施例过程如下：

对计算的载荷谱进一步进行简化，分为单独的启停和高速运行两种工况，如图2(c)和图2(d)，分别按照载荷谱进行应变控制的热机械疲劳(如图2(c))和高温高周疲劳实验(如图2(c)、图2(d))，通过Miner线性累积方法计算出简化构件的疲劳寿命，并与台架或实际服役构件的寿命对比，建立简化构件和实际构件的定量关系。

Claims (5)

1.一种复杂载荷和环境下的构件寿命预测方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

(1)通过有限元分析获得不同工况下关键构件的应力和温度特征；

(2)测试关键构件的实际应力和温度特征，并根据所得实际应力和温度特征对步骤(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和温度特征，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。

2.根据权利要求1所述的复杂载荷和环境下的构件寿命预测方法，其特征在于：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，确定承受应力或应变最大的构件，该构件称之为关键构件。

3.根据权利要求1所述的复杂载荷和环境下的构件寿命预测方法，其特征在于：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进行校对。

4.根据权利要求1所述的复杂载荷和环境下的构件寿命预测方法，其特征在于：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。

5.根据权利要求1所述的复杂载荷和环境下的构件寿命预测方法，其特征在于：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，再从中选择损伤最严重的工况载荷谱作为待测构件的加载应力幅，对测试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，通过线性累积方法计算出构件的疲劳寿命。