CN111428361B - 一种适用于多种循环载荷的寿命预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于多种循环载荷的寿命预测方法，首先对待测材料进行任意一种循环载荷试验，如应变控制的纯疲劳试验、应变控制的蠕变疲劳试验或应力应变混合控制的蠕变疲劳试验；根据试验输入参数和半寿命周次的滞回曲线计算疲劳动态粘性和蠕变动态粘性；根据半寿命周次的滞回曲线计算循环过程中吸收的总能量；最后利用与疲劳动态粘性和蠕变动态粘性相关的累积动态粘性等于吸收总能量的关系建立寿命预测方程，预测出待测材料在其余两种循环载荷试验下的循环寿命。本发明使用同一组参数能够同时预测多种循环载荷下的循环寿命，且广泛适用于不同的待测材料。
Description
技术领域
本发明涉及寿命预测领域，尤其涉及不同材料在多种循环载荷下的寿命预测方法。
背景技术
电力和航空领域内许多高温下服役的核心部件往往会承受复杂的蠕变、疲劳以及蠕变疲劳交互损伤作用。开停车温度变化使得这些部件处于应变控制的疲劳载荷中，随后的稳定运行又将承受应力控制的蠕变载荷作用。但目前实验室常用的应变控蠕变疲劳载荷不能反映如此复杂的工况，同时因为应力松弛，应变控蠕变疲劳载荷难以形成以蠕变损伤为主导的失效模式，然而这种失效模式却是工业装备最常见的一种。应力应变混合控制的蠕变疲劳载荷，即每周循环中疲劳加载部分采用应变控制，而保载阶段采用应力控制，既符合实际工况又可以通过调节试验参数来获得不同程度的蠕变和疲劳损伤。因此，有必要对应力应变混合控蠕变疲劳载荷下材料的循环寿命进行研究，尤其是发明一种统一的广泛适用于多种循环载荷的寿命预测方法。
目前常用的疲劳及蠕变疲劳寿命预测方法主要有线性累积损伤方法、频率分离法、应变范围划分法以及基于粘性的预测方法等。其中，线性累积损伤法主要关注于应变保载对应的应力松弛阶段的蠕变损伤计算，但是应力应变混合控制蠕变疲劳试验过程中不存在应力松弛的现象。频率分离法没有考虑加载波形的影响，同时对蠕变显著的循环载荷的预测结果存在很大误差，这与应力应变混合控制载荷波形复杂以及可调节的蠕变疲劳损伤范围大的特点相悖。应变范围划分法是基于材料的应力应变滞回曲线，但这种方法需要大量的疲劳数据，增加了寿命预测的难度。基于粘性的寿命预测方法又缺乏对保载应力多变性的考虑。
由此可见，现在迫切需要一种广泛适用于应变控制疲劳和蠕变疲劳载荷以及应力应变混合控制蠕变疲劳载荷的寿命预测方法，以满足不同载荷作用下寿命预测的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于多种循环载荷的寿命预测方法，可以预测不同材料在应变控制疲劳和蠕变疲劳以及应力应变混合控制的蠕变疲劳载荷下的循环寿命，且具有较高的预测精度。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种适用于多种循环载荷的寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，对待测材料进行任意一种循环载荷试验，所述循环载荷试验采用应变控制的纯疲劳试验、应变控制的蠕变疲劳试验或应力应变混合控制的蠕变疲劳试验，为后续寿命预测提供半寿命周次的滞回曲线；
步骤S2，根据循环载荷试验的输入参数和半寿命周次的滞回曲线，计算疲劳动态粘性vd-f和蠕变动态粘性vd-c；
步骤S3，根据半寿命周次的滞回曲线，计算循环过程中吸收的总能量∑W；
步骤S4，利用与疲劳动态粘性vd-f和蠕变动态粘性vd-c相关的累积动态粘性f(vd)等于吸收总能量∑W的关系建立寿命预测方程，预测出待测材料在其余两种循环载荷试验下的循环寿命Nf。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)使用同一组参数能够同时预测多种循环载荷下的循环寿命，且广泛适用于不同的待测材料；
(2)预测过程简单易操作，不需要保载过程中准确的应力松弛曲线或者蠕变曲线；
(3)能够更加精确地预测出待测材料的循环寿命，并且考虑了平均应力，应变速率以及保载状态等多方面的因素。
附图说明
图1为本发明的一种适用于多种循环载荷寿命预测方法的流程图。
图2为本发明实施例1的预测寿命结果示意图。
图3为本发明实施例2的预测寿命结果示意图。
图4为本发明与现有寿命预测技术的预测精度对比图。
具体实施方式
以下结合附图，以具体实施例对本发明作进一步详细说明。应该理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。
本发明的一种适用于多种循环载荷的寿命预测方法遵循基于粘性的寿命预测准则。这种准则最早由Goswami提出，认为材料循环加载时的损伤对应于其内部的粘性流动，当不能发生任何流动时，即累积动态粘性等于材料的韧性，材料发生失效。本发明不仅考虑疲劳动态粘性，还提出了适用于不同保载情况的蠕变动态粘性并给出相应的表达式，同时舍弃了原准则中使用的基于经验公式的材料韧性，将其用具有明确物理含义的循环过程中吸收的总能量代替，建立了新的同时适用于应变控制疲劳和蠕变疲劳以及应力应变混合控制蠕变疲劳载荷的寿命预测模型。
如图1所示，本发明的一种适用于多种循环载荷的寿命预测方法，所述预测方法包括以下的步骤：
步骤S1，对待测材料进行任意一种循环载荷试验，所述循环载荷试验采用应变控制的纯疲劳试验、应变控制的蠕变疲劳试验或应力应变混合控制的蠕变疲劳试验，这些试验为后续寿命预测提供半寿命周次的滞回曲线。其中应变控制的纯疲劳试验采用对称三角波进行加载【国标GB/T 26077-2010】；应变控制蠕变疲劳试验采用上梯形波进行加载(即施加拉伸保载)【美国标准ASTM E2714-13】；应力应变混合控制的蠕变疲劳试验疲劳部分采用应变控制的对称三角波进行加载，保载部分采用应力控制并施加恒定的拉伸应力【TahirF,Liu Y.A new experimental testing method for investigation of creep-dominantcreep-fatigue interaction in alloy 617at 950℃.International Journal ofPressure Vessels and Piping 2017；154:75-82.】。
步骤S2，根据循环载荷试验的输入参数和半寿命周次的滞回曲线，计算疲劳动态粘性vd-f和蠕变动态粘性vd-c。
步骤S3，根据半寿命周次的滞回曲线，计算循环过程中吸收的总能量∑W。
步骤S4，利用与疲劳动态粘性vd-f和蠕变动态粘性vd-c相关的累积动态粘性f(vd)等于吸收总能量∑W的关系建立寿命预测方程，预测出待测材料在不同循环载荷试验下的循环寿命Nf。
下面分别对上述各步骤S2-S4进行详细描述：
步骤S2中，对于应变控制的纯疲劳试验，仅需要建立疲劳动态粘性vd-f的表达；对于蠕变疲劳试验，需要建立疲劳动态粘性vd-f和蠕变动态粘性vd-c的表达。其中疲劳动态粘性vd-f表示为
在式(1)中,Δσ为半寿命周次的应力幅值，Δε表示半寿命周次的应变幅值，
表示应变控制循环加载过程中的应变速率。
此外，蠕变动态粘性vd-c表示为vd-c＝(1+log10(td))·(σd-(-σm)) (2)
在式(2)中，td表示保载时间，以秒为单位，σm表示半寿命周次时的平均应力，σd表示保载应力。式(2)等式右边的第一项考虑了长时间保载蠕变损伤逐渐趋缓的效应。同时，为了抵消压缩平均应力带来的愈合作用，本发明认为保载应力大于负的平均应力时，即σd>-σm，才能产生蠕变损伤，因此引入了式(2)等式右边第二项的形式。对于保载应力，在应力应变混合控制的蠕变疲劳试验中，保载应力为试验输入的定值；而在应变控制的蠕变疲劳试验中，由于应力松弛，保载应力随保载时间的增加非线性下降，需要复杂的数学表达式来描述保载应力的变化。因此，为了方便使用，本发明不考虑载荷波形，将保载应力统一为式(3)
其中σ0表示保载开始时的应力，σed表示保载结束时的应力。
步骤S3,根据半寿命周次的滞回曲线，计算循环过程中吸收的总能量∑W，具体包括以下步骤：
首先根据半寿命周次的滞回曲线包围的面积求出非弹性应变能密度ΔWin，因为滞回曲线为非规则图形，利用数值积分的方法计算出滞回曲线包围的面积。
接着根据不同的循环载荷试验，按照式(4-1)和式(4-2)求出拉伸弹性应变能密度
应力应变混合控制的蠕变疲劳试验将采用式(4-1)来计算拉伸弹性应变能密度，而应变控制的疲劳及蠕变疲劳试验采用式(4-2)来计算拉伸弹性应变能密度。E表示待测材料在循环载荷试验温度下的弹性模量，σmax表示半寿命周次的峰值拉伸应力。
然后，对于半寿命周次，其总应变能密度ΔWt等于非弹性应变能密度ΔWin与拉伸弹性应变能密度
之和，即式(5)
最后，循环过程中吸收的总能量∑W与半寿命周次的总应变能密度ΔWt以及最终的循环寿命Nf存在式(6)的关系，
在式(6)中，β表示与材料及温度相关的循环寿命指数，ΔWlim表示循环载荷试验过程中不产生损伤的一部分，称之为疲劳极限应变能密度，采用式(7)表示，
其中σlim表示待测材料在试验载荷试验温度下的疲劳极限。
在步骤S4中，利用与疲劳动态粘性vd-f和蠕变动态粘性vd-c相关的累积动态粘性f(vd)等于吸收总能量∑W的关系建立寿命预测方程如下：
值得关注的是，经典的基于粘性的寿命预测方法认为循环失效准则是累积动态粘性等于待测材料的韧性，其中待测材料的韧性是一个与非弹性应变相关的经验公式。因此本发明采用吸收总能量对等式右边进行替换，使之有明确的物理意义。同时因为吸收总能量中考虑了不产生损伤的疲劳极限应变能密度，因此又弥补了经典理论在预测小应变幅值循环加载下预测寿命较大的不足。
此外，累积动态粘性f(vd)与疲劳动态粘性vd-f、蠕变动态粘性vd-c的关系用式(9)表示：
其中，
是与待测材料和温度有关的系数，α是与待测材料和温度有关的粘性指数。根据由步骤S1得到的某种循环载荷的试验数据，利用最小二乘法拟合得到系数β，/>
和α。
最后，用式(10)预测出待测材料在其余两种循环载荷试验下的循环寿命Nf
以下实施例1和实施例2中，采用本发明的一种适用于多种循环载荷的寿命预测方法对625℃下的铬钼钢材料(P92)，650℃下的镍合金材料(GH4169)进行寿命预测。此外，为了进一步说明本发明的寿命预测效果，加入了两个现有的模型进行比较，一个是原始的Goswami模型【Goswami T.Low cycle fatigue life prediction-a newmodel.International Journal of Fatigue1997；19(2):109-115】，一个是近年来发展的广泛用于蠕变疲劳寿命预测的Wang模型【Wang RZ,Zhang XC,Tu ST,Zhu SP,Zhang CC.Amodified strain energy density exhaustion model for creep–fatigue lifeprediction.International Journal of Fatigue 2016；90:12-22.】。
实施例1
表1是625℃下P92钢的试验数据，应变速率均为1×10-3。其中包括5组应变幅值为0.5％到1.6％的应变控制纯疲劳试验，12组应力应变混合控制的蠕变疲劳试验，为了进一步验证该模型在不同应变速率下的寿命预测能力，还采用了Zhang发表论文【Zhang SL,Xuan FZ.Interaction of cyclic softening and stress relaxation of 9–12％Crsteel under strain-controlled fatigue-creep condition:experimental andmodeling.International Journal of Plasticity 2017；98:45-64.】中针对625℃下P92钢的7组应变控制疲劳和蠕变疲劳数据，应变速率为2×10-3。
首先按照本发明的寿命预测方法的步骤S2计算出疲劳动态粘性vd-f和蠕变动态粘性vd-c，然后根据本发明的寿命预测方法的步骤S3计算出循环过程中吸收的总能量∑W。最后根据本发明的寿命预测方法的步骤S4建立寿命预测方程。其中根据应力应变混合控制蠕变疲劳的试验数据进行拟合，得出β＝3.77，
α＝-6.97，然后预测其他试验条件下的寿命。
表1 625℃下P92钢的试验数据
由图2的结果可见，无论是应变控制的疲劳或者蠕变疲劳还是应力应变混合控制的蠕变疲劳试验，利用本发明预测的寿命均在2倍误差带以内，试验结果与预测结果接近。另外可以发现Goswami模型和Wang模型均高估了循环寿命。由此可见，本发明所示的适用于多种循环载荷的寿命预测方法可以很好地预测625℃下P92钢的循环寿命。
实施例2
选取数据为王润梓博士论文【王润梓.基于能量密度耗散准则的蠕变-疲劳寿命预测模型及应用.博士论文.华东理工大学(2019)】中650℃下GH4169合金的试验结果。其中包括4组应变幅值为1％到2％的应变控制纯疲劳试验,14组应变控制的蠕变疲劳试验。
首先按照本发明的寿命预测方法的步骤S2计算出疲劳动态粘性vd-f和蠕变动态粘性vd-c，然后根据本发明的寿命预测方法的步骤S3计算出循环过程中吸收的总能量∑W。最后根据本发明的寿命预测方法的步骤S4建立寿命预测方程。其中根据应变控制纯疲劳试验的试验数据进行拟合，得出β＝0.5，
α＝-0.56，然后预测其他试验条件下的寿命。
由图3的结果可见，无论是应变控制的疲劳还是蠕变疲劳试验，虽然Wang模型的预测结果尚可，但利用本发明预测的点均落在1.5倍的误差带内，试验结果与预测结果非常接近。此外本发明的寿命预测精度明显高于Goswami模型。由此可见，本发明所示的适用于多种循环载荷的寿命预测方法可以很好地预测650℃下GH4169的循环寿命。
最后引入平均相对误差MRE的概念，如下式所示，来量化每一种寿命预测技术的预测精度。
其中，Ne表示试验得到的循环寿命，Np为预测得到的循环寿命，N表示参与预测的总试验数。由图4可见，Goswami模型不能在同一组参数下预测多种循环载荷的寿命，Wang模型的预测精度也明显低于本发明，且本发明在不同待测材料下的预测精度都最优。
从实施例1和实施例2的结果看出：采用本发明的方法，可以很好地预测不同材料在多种循环载荷下的循环寿命，且预测精度较高。
Claims (4)
1.一种适用于多种循环载荷的寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，对待测材料进行任意一种循环载荷试验，所述循环载荷试验采用应变控制的纯疲劳试验、应变控制的蠕变疲劳试验或应力应变混合控制的蠕变疲劳试验，为后续寿命预测提供半寿命周次的滞回曲线；
步骤S2，根据循环载荷试验的输入参数和半寿命周次的滞回曲线，计算疲劳动态粘性vd-f和蠕变动态粘性vd-c；
蠕变动态粘性vd-c表示为
vd-c＝(1+log10(td))·(σd-(-σm)) (2)
在式(2)中，td表示保载时间，以秒为单位，σm表示半寿命周次时的平均应力，σd表示保载应力，其中在应力应变混合控制的蠕变疲劳试验中，保载应力为试验输入的定值；而在应变控制的蠕变疲劳试验中，由于应力松弛，保载应力是随保载时间变化的，不考虑加载波形，蠕变疲劳试验中的保载应力统一为式(3)
其中σ0表示保载开始时的应力，σed表示保载结束时的应力；
步骤S3，根据半寿命周次的滞回曲线，计算循环过程中吸收的总能量∑W，具体如下：
步骤S31，根据半寿命周次的滞回曲线包围的面积求出非弹性应变能密度ΔWin；
步骤S32，根据不同的循环载荷试验，按照式(4-1)和式(4-2)求出拉伸弹性应变能密度
应力应变混合控制的蠕变疲劳试验将采用式(4-1)来计算拉伸弹性应变能密度，而应变控制的疲劳及蠕变疲劳试验采用式(4-2)来计算拉伸弹性应变能密度；E表示待测材料在循环载荷试验温度下的弹性模量，σmax表示半寿命周次的峰值拉伸应力；
步骤S33，对于半寿命周次，其总应变能密度ΔWt表示为
步骤S34，循环过程中吸收的总能量∑W与半寿命周次的总应变能密度ΔWt以及最终的循环寿命Nf关系如下：
在式(6)中，β表示与待测材料及温度相关的循环寿命指数，ΔWlim表示循环载荷试验过程中不产生损伤的一部分，称之为疲劳极限应变能密度，采用式(7)表示，
其中σlim表示该待测材料在试验载荷试验温度下的疲劳极限；
步骤S4，利用与疲劳动态粘性vd-f和蠕变动态粘性vd-c相关的累积动态粘性f(vd)等于吸收总能量∑W的关系建立寿命预测方程，预测出待测材料在其余两种循环载荷试验下的循环寿命Nf。
2.根据权利要求1所述的适用于多种循环载荷的寿命预测方法，其特征在于：步骤S2中，对于应变控制的纯疲劳试验，仅需要建立疲劳动态粘性vd-f的表达；对于蠕变疲劳试验，需要建立疲劳动态粘性vd-f和蠕变动态粘性vd-c的表达。
3.根据权利要求1或2所述的适用于多种循环载荷的寿命预测方法，其特征在于：所述步骤S2中的疲劳动态粘性vd-f表示为
在式(1)中，Δσ为半寿命周次的应力幅值，Δε表示半寿命周次的应变幅值，
表示应变控制循环加载过程中的应变速率。
4.根据权利要求1所述的适用于多种循环载荷的寿命预测方法，其特征在于：所述步骤S4，利用与疲劳动态粘性vd-f和蠕变动态粘性vd-c相关的累积动态粘性f(vd)等于吸收总能量∑W的关系建立寿命预测方程如下：
同时，累积动态粘性f(vd)与疲劳动态粘性vd-f、蠕变动态粘性vd-c的关系用式(9)表示：
其中，
是与待测材料和温度有关的系数，α是与待测材料和温度有关的粘性指数；
待测材料在其余两种循环载荷试验下的循环寿命Nf
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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