CN113607580B - 一种金属构件疲劳试验方法及剩余寿命预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的是提供一种金属构件疲劳试验方法及剩余寿命预测方法，通过步进加速退化疲劳试验，获取与待预测金属构件同材料的试件在不同疲劳应力水平下的退化轨迹以及损伤表征量最大值；利用预先搭建的非线性超声在线检测系统，以与疲劳试验过程相同的检测参数，对待测金属构件检测损伤表征量；获取待测金属构件所处工况下的疲劳应力数据；按照退化轨迹，根据所述疲劳应力水平、损伤表征量最大值以及检测得到的损伤表征量，计算待测金属构件的剩余寿命。本发明可在不需了解结构件载荷历程情况下，根据构件实时损伤状态，以及疲劳损伤规律在待测构件工况对应的疲劳应力等级，推断结构剩余寿命，能够快速准确的实现结构件的剩余寿命检测。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料的寿命试验及剩余寿命预测技术领域，特别是一种金属构件疲劳试验方法及剩余寿命预测方法。
背景技术
工程机械在使用过程中会承受各种动力学载荷，其所属构件在交变载荷作用下会发生疲劳现象，致使结构产生损伤，导致产品故障，甚至带来严重安全事故隐患。如何进行结构疲劳寿命预测仍然是工程机械行业、乃至机械行业当前面临的技术难题。
目前，金属结构件疲劳寿命设计和结构疲劳寿命预测主要有如下方法：
（1）疲劳累积损伤方法
该方法通过疲劳试验测试试件在多个交变应力水平下的寿命，建立材料的S-N或P-S-N曲线，并利用累积损伤公式进行疲劳寿命预测，即：通过监测或计算构件经历的交变应力水平和循环次数，计算其累积损伤程度，分析结构安全裕度，推断剩余寿命。
但是，材料S-N和P-S-N曲线的建立需要大量试验数据，由于经典疲劳试验周期长、耗能高，S-N和P-S-N曲线获取耗时耗力，不同应力等级下疲劳失效机理的一致性难以保证，寿命预测精度受到影响。另外，在结构载荷历程不明的情况下，无法进行损伤程度的累积，也无法进行剩余寿命预测。
（2）疲劳损伤直接检测法
该方法主要利用电磁波、声波等在传播中遇到缺陷会发生反射、衰减等现象，通过反演这些信息来分析损伤性质和状态，实现对金属构件疲劳状态检测。现有检测技术主要包括：超声检测、射线检测、磁粉检测、渗透检测和声发射检测等。通过对结构损伤状态的连续监测，或进行裂纹扩展分析，可以推断结构的剩余寿命。
而由于目前技术水平只能检测出金属材料疲劳后期才会出现的宏观缺陷，技术应用时段有限，无法在结构的寿命前期进行长期寿命预测。另外，一些检测方法所需配套条件较为苛刻，不适用于现场测试，也限制了其在疲劳寿命预测的应用。
（3）疲劳损伤间接检测法
这种方法是利用某些非宏观缺陷参数与结构损伤的相关关系，通过这些参数及其变化来间接推断结构的损伤状态，再按照（2）中方法进一步推断结构的剩余寿命。但是，非线性超声等疲劳损伤间接检测法仅能够对早期金属构件早期微损伤进行检测。
可见，目前的寿命预测方案还不够成熟，测试程序复杂、预测精度不高。
发明内容
本发明的目的是提供一种金属构件疲劳试验方法及剩余寿命预测方法，通过步进加速退化试验，快速获得材料的疲劳损伤规律；利用在线监测技术，在不需了解结构件载荷历程情况下，获得构件实时损伤状态，进而根据疲劳损伤规律推断结构剩余寿命。本发明采用的技术方案如下。
一方面，本发明提供一种金属构件疲劳试验方法，包括：
制备与待测试金属构件材质相同的多个金属试件；
以设定的疲劳应力起始幅值、设定的时间间隔、设定的步进次数以及设定的幅值步进台阶，向金属试件施加逐级增大的相应疲劳应力；
在对应各级疲劳应力的应力施加过程中，利用预先搭建的非线性超声在线检测系统，对于试件上多个位置的检测点，分别多次检测损伤表征量参数，并检测试件材料破坏前的损伤表征量最大值；
对于各试件，分别基于多次检测得到的多个检测点在多级疲劳应力下的损伤表征量参数，统计得到各级疲劳应力下损伤表征参数的变化规律；所述变化规律包括对应各级疲劳应力的试件疲劳寿命的漂移系数；
根据所述变化规律以及漂移系数，确定金属材料的退化轨迹，所述退化轨迹包括多条轨迹曲线，各轨迹曲线分别表征不同疲劳应力等级下损伤表征量与疲劳寿命循环次数的关联关系。
后续利用退化轨迹进行待测金属构件的测试计算，进而可计算得到待测金属构件的剩余寿命。
为了提升试验结果的准确性，可选的，所述多个金属试件为同批次制备。
可选的，疲劳试验方法中，以设定的疲劳应力起始幅值、设定的时间间隔、设定的步进次数n以及设定的幅值步进台阶，向金属试件施加逐次增大的相应疲劳应力，其中，/>，为额定应力载荷设计值，为试件产生宏观裂纹的疲劳应力幅值。
可选的，所述设定的步进次数n大于或等于4，设定的时间间隔为每次间隔相同的时间施加下一级疲劳应力。等循环频次加载不同水平疲劳应力的方式可以保障试验过程更加的快速和准确。
可选的，在对应各级疲劳应力的应力施加过程中，至少先后5次检测试件的损伤表征量参数，相邻检测时间点之间的时间间隔相等。
可选的，在对应各级疲劳应力的应力施加过程中，每次检测分别以试件上5个不同位置作为检测点获得损伤表征量参数，并将其中的损伤表征量最大值作为该次检测的损伤表征量结果；5个检测点中，相邻检测点的距离相同。
可选的，所述损伤表征参数的变化规律表示为以下公式：
（1）
其中，D为疲劳损伤表征量，N为疲劳寿命，a为扩散系数；b为疲劳寿命的漂移系数，代表材料退化速率。
基于多次检测得到的多个检测点在多级疲劳应力下的损伤表征量参数，可统计得到试验过程中试件材料在多个疲劳应力等级下逐渐退化至最大损伤表征量的轨迹曲线，即可求得对应各疲劳应力等级的公式（1）的扩散系数和漂移系数。后续即可综合多个试件在各疲劳应力等级下的损伤表征参数变化规律，推算得到金属材料在各疲劳应力等级下的退化轨迹。
第二方面， 本发明提供一种金属构件剩余寿命预测方法，包括：
获取通过疲劳试验确定的、与待预测金属构件同材料的试件在不同疲劳应力水平下的退化轨迹，以及损伤表征量最大值；
利用预先搭建的非线性超声在线检测系统，以与疲劳试验过程相同的检测参数，对待测金属构件检测损伤表征量；
获取待测金属构件所处工况下的疲劳应力数据；
按照所述退化轨迹，根据所述疲劳应力水平、损伤表征量最大值以及检测得到的损伤表征量，计算待测金属构件的剩余寿命；
其中，所述退化轨迹通过第一方面所述的金属构件疲劳试验方法得到。
确定待测金属构件所处工况下的疲劳应力数据以及当前损伤表征量后，即可根据疲劳应力等级对应的退化轨迹确定当前损伤表征量对应的疲劳寿命次数，根据损伤表征量最大值可确定最大疲劳寿命次数，根据当前损伤表征量对应的疲劳寿命次数以及最大疲劳寿命次数即可计算得到待测金属构件的剩余寿命。
有益效果
本发明的金属构件疲劳试验方法通过步进加速退化的试验方式，实现了能够快速、准确获得材料的疲劳损伤规律。在进行实际的金属构件的寿命预测时，只需根据构件所面临工况下的应力情况以及当前损伤状态，在不需了解结构件载荷历程情况下，便即可便捷且精确地推断结构剩余寿命。本发明对保障金属构件产品在疲劳环境下安全可靠服役具有重要的理论意义和重大的应用价值。
附图说明
图1所示为本发明基于金属构件疲劳试验方法预测构件剩余寿命的原理流程示意图；
图2所示为疲劳试验过程中步进加载多级疲劳应力的示意图；
图3所示为疲劳试验过程中的检测点位置设置示意图；
图4所示为疲劳试验过程中的检测点位置设置的另一种实施方式示意图；
图5所示为疲劳试验过程中损伤表征量随时间和疲劳应力等级变化的曲线示意图；
图6所示为构件的退化轨迹示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例进一步描述。
实施例1
本实施例介绍一种金属构件疲劳试验方法，在需要对某中特定材料的构建进行寿命预测之前执行，疲劳试验方法包括：
S1，制备与待测试金属构件材质相同的多个金属试件，多个试件优选为同批次产出的试件，从而尽可能的减少工艺差别对试验结果带来的影响；
S2，以设定的疲劳应力起始幅值、设定的时间间隔、设定的步进次数n以及设定的幅值步进台阶，向金属试件施加逐次增大的相应疲劳应力/>，其中，，为额定应力载荷设计值，为试件产生宏观裂纹的疲劳应力幅值。
参考图2所示，本实施例采用等循环频次加载不同水平疲劳应力的方式，步进次数n大于或等于4，每次间隔相同的时间t0施加下一级疲劳应力，以保障试验过程更加的快速和准确。
S3，在对应各级疲劳应力的应力施加过程中，利用预先搭建的非线性超声在线检测系统，对于试件上多个位置的检测点，分别多次检测损伤表征量参数，并检测试件材料破坏前的损伤表征量最大值。非线性超声在线检测系统的搭建可采用现有技术。
参考图3，在对应各级疲劳应力的应力施加过程中，每次检测分别以试件上5个不同位置作为检测点获得损伤表征量参数，5个检测点中，相邻检测点的距离相同。可将其中的损伤表征量最大值作为该次检测的损伤表征量结果，以结构最薄弱部位在各应力下的损伤程度作为最终计算剩余寿命的参考，能够使得计算得到的剩余寿命更加贴合实际，确保构件在相应的剩余寿命时间内能够可靠工作。
此外，若能够明确试件上的结构薄弱部位，可仅在相应的部位设置一个检测点，如图4所示。
经过本步骤的检测，对于每个试件，均能够得到一组包括多个疲劳应力等级下的一串损伤表征量数据，以及最终的损伤表征量最大值，即临界损伤表征量。
S4，对于各试件，分别基于多次检测得到的多个检测点在多级疲劳应力下的损伤表征量参数，统计得到各级疲劳应力下损伤表征参数的变化规律；所述变化规律包括对应各级疲劳应力的试件疲劳寿命的漂移系数。
损伤表征参数的变化规律表示为以下公式：
（1）
其中，D为疲劳损伤表征量，N为疲劳寿命，a为扩散系数；b为疲劳寿命的漂移系数，代表材料退化速率。
以试件个数为5个为例，基于5次重复的疲劳试验过程检测得到的多个检测点在多级疲劳应力下的损伤表征量参数为5组，根据公式（1），利用每组试验数据可计算得到5组扩散系数和漂移系数，每组中对应不同疲劳应力等级分别有一个扩散系数和漂移系数。由此，对于每个疲劳应力等级，可以取5组中相应疲劳应力等级下的扩散系数的平均值和漂移系数的平均值作为最终的扩散系数和漂移系数，能够统计得到试验全过程中试件材料在多个等频步进加载的疲劳应力等级下逐渐退化至最大损伤表征量的轨迹曲线，如图5所示。
S5，根据所述变化规律以及漂移系数，确定金属材料的退化轨迹，所述退化轨迹包括多条轨迹曲线，各轨迹曲线分别表征不同疲劳应力等级下损伤表征量与疲劳寿命循环次数的关联关系，如图6所示。本步骤即综合多个试件在各疲劳应力等级下的损伤表征参数变化规律，推算得到金属材料在各疲劳应力等级下的退化轨迹。
后续利用退化轨迹进行待测金属构件的测试计算，进而可计算得到待测金属构件的剩余寿命。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例介绍一种金属构件剩余寿命预测方法，参考图1所示，方法包括：
获取通过疲劳试验确定的、与待预测金属构件同材料的试件在不同疲劳应力水平下的退化轨迹，以及损伤表征量最大值；
利用预先搭建的非线性超声在线检测系统，以与疲劳试验过程相同的检测参数，对待测金属构件检测损伤表征量；
获取待测金属构件所处工况下的疲劳应力数据；
按照所述退化轨迹，根据所述疲劳应力水平、损伤表征量最大值以及检测得到的损伤表征量，计算待测金属构件的剩余寿命；
其中，所述退化轨迹通过实施例1所述的金属构件疲劳试验方法得到。
确定待测金属构件所处工况下的疲劳应力数据以及当前损伤表征量后，即可根据疲劳应力等级对应的退化轨迹确定当前损伤表征量对应的疲劳寿命次数，根据损伤表征量最大值可确定最大疲劳寿命次数，根据当前损伤表征量对应的疲劳寿命次数以及最大疲劳寿命次数即可计算得到待测金属构件的剩余寿命。
对于构件在后续工作过程中所处工况变化导致应力不同的情形，可根据退化轨迹，按照各工况阶段的先后顺序及延续时间，依次分别计算各中间工况阶段应力结束时的损伤表征量及对应的疲劳寿命循环次数，直至损伤表征量大于临界损伤表征量，则对于最后计算的工况阶段重新按照工况开始时的损伤表征量、临界损伤表征量和工况下的疲劳应力计算疲劳寿命循环次数，最后将各工况阶段的寿命进行叠加，即得到最终的构件剩余寿命。
综上实施例，本发明通过步进加速退化试验，快速、准确的获得材料的疲劳损伤规律；再利用在线监测技术，在不需了解结构件载荷历程情况下，便捷获得其当前损伤状态，进而精确推断结构剩余寿命。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (9)
1.一种金属构件疲劳试验方法，其特征是，包括：
制备与待测试金属构件材质相同的多个金属试件；
以设定的疲劳应力起始幅值、设定的时间间隔、设定的步进次数以及设定的幅值步进台阶，向金属试件施加逐级增大的相应疲劳应力；
在对应各级疲劳应力的应力施加过程中，利用预先搭建的非线性超声在线检测系统，对于试件上多个位置的检测点，分别多次检测损伤表征量参数，并检测试件材料破坏前的损伤表征量最大值 D cr ；
对于各试件，分别基于多次检测得到的多个检测点在多级疲劳应力下的损伤表征量参数，统计得到各级疲劳应力下损伤表征参数的变化规律；所述变化规律包括对应各级疲劳应力的试件疲劳寿命的漂移系数；
根据所述变化规律以及漂移系数，确定金属材料的退化轨迹，所述退化轨迹包括多条轨迹曲线，各轨迹曲线分别表征不同疲劳应力等级下损伤表征量与疲劳寿命循环次数的关联关系；
其中，所述损伤表征参数的变化规律表示为以下公式：
（1）
其中，D为疲劳损伤表征量，N为疲劳寿命，a为扩散系数，b为疲劳寿命的漂移系数，代表材料退化速率。
2.根据权利要求1所述的金属构件疲劳试验方法，其特征是，所述多个金属试件为同批次制备。
3.根据权利要求1所述的金属构件疲劳试验方法，其特征是，以设定的疲劳应力起始幅值S0、设定的时间间隔、设定的步进次数n以及设定的幅值步进台阶，向金属试件施加逐次增大的相应疲劳应力S i （i=0,1,2...n），其中，S0<S1<S2<...<Sn<Sn+1，为额定应力载荷设计值，为试件产生宏观裂纹的疲劳应力幅值。
4.根据权利要求3所述的金属构件疲劳试验方法，其特征是，所述设定的步进次数n大于或等于4，设定的时间间隔为每次间隔相同的时间施加下一级疲劳应力。
5.根据权利要求1所述的金属构件疲劳试验方法，其特征是，在对应各级疲劳应力的应力施加过程中，至少先后5次检测试件的损伤表征量参数。
6.根据权利要求5所述的金属构件疲劳试验方法，其特征是，相邻检测时间点之间的时间间隔相等。
7.根据权利要求1所述的金属构件疲劳试验方法，其特征是，在对应各级疲劳应力的应力施加过程中，每次检测分别以试件上5个不同位置作为检测点获得损伤表征量参数，并将其中的损伤表征量最大值作为该次检测的损伤表征量结果。
8.根据权利要求7所述的金属构件疲劳试验方法，其特征是，5个检测点中，相邻检测点的距离相同。
9.一种金属构件剩余寿命预测方法，其特征是，包括：
获取通过疲劳试验确定的、与待预测金属构件同材料的试件在不同疲劳应力水平下的退化轨迹，以及损伤表征量最大值D cr ；
利用预先搭建的非线性超声在线检测系统，以与疲劳试验过程相同的检测参数，对待测金属构件检测损伤表征量；
获取待测金属构件所处工况下的疲劳应力数据；
按照所述退化轨迹，根据所述疲劳应力水平、损伤表征量最大值D cr 以及检测得到的损伤表征量，计算待测金属构件的剩余寿命；
其中，所述退化轨迹通过权利要求1-8任一项所述的金属构件疲劳试验方法得到。
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