CN114169109B - 一种异种钢接头疲劳寿命预测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种异种钢接头疲劳寿命预测方法及装置，所述方法包括：获取待预测的异种钢接头的构成信息；根据所述异种钢接头的构成信息，确定对应的疲劳寿命预测模型；根据所述疲劳寿命预测模型，预测出所述异种钢接头的疲劳寿命。所述装置用于执行上述方法。本发明提供的异种钢接头疲劳寿命预测方法及装置，可实现对高温疲劳裂纹扩展路径的实时观察和测量，进而得到疲劳裂纹的扩展速率，并且易于操作和控制，能节省试验过程中产生的经济和时间成本。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种异种钢接头疲劳寿命预测方法及装置。
背景技术
现役超超临界火电机组锅炉受热面管系中有大量由铁素体钢和奥氏体钢构成的异种钢焊接接头(如T91/TP347H、T92/HR3C、T92/Super304等)，几乎均用镍基合金作为焊缝填充金属。生产实践表明，火电机组在500～620℃温度下深度调峰运行容易导致受热面管系焊接接头产生严重的疲劳损伤，工程检测发现大量的异种钢接头在服役7～10万小时后发生早期失效，使用寿命远低于设计寿命的20万小时。因此，当前迫切需要对铁素体钢和奥氏体异种钢焊接接头的高温疲劳性能评估，开展相关科学实验研究，这对火电机组深度调峰下异种钢接头长期安全使用具有重要意义。
通常，参考标准设计的异种钢接头疲劳试样在传统恒温炉内以辐射传热方式进行加热，整个试样(包括非标距段)达到预定温度后进行恒定应力幅下的疲劳试验，疲劳裂纹可能在试样的标距段起裂，即靠近熔合线的铁素体侧热影响区或奥氏体钢侧熔合区；也可能因机械夹具与试样接触位置在高周期的循环加载作用下产生较大结构应力，导致接头试样的非标距段的铁素体侧母材区优先起裂扩展，这种疲劳实验结果随机性较大，所测得高温疲劳曲线的实验数据分散性也较大，不利于有效评估其疲劳寿命。同时，若要深入研究异种钢接头高温疲劳裂纹扩展路径和裂纹扩展速率均难以实现。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明实施例提供一种异种钢接头疲劳寿命预测方法及装置。
本发明的一方面，提供一种异种钢接头疲劳寿命预测方法，包括：
获取待预测的异种钢接头的构成信息；
根据所述异种钢接头的构成信息，确定对应的疲劳寿命预测模型；
根据所述疲劳寿命预测模型，预测出所述异种钢接头的疲劳寿命。
在优选的实施例中，根据所述异种钢接头的构成信息，确定对应的疲劳寿命预测模型，包括：
根据所述异种钢接头的构成信息，制作一对应的异种钢接头试件，其中所述异种钢接头试件中由两种耐热钢材料和焊缝材料组成的标距段区域均与所述异种钢接头一致；
对所述异种钢接头试件进行测试实验，根据测试实验得到的裂纹扩展信息生成一疲劳寿命预测模型。
在优选的实施例中，所述裂纹扩展信息包括：异种钢接头试件的标距段区域的裂纹扩展路径信息和裂纹扩展速率信息；
对所述异种钢接头试件进行测试实验，根据测试实验得到的裂纹信息生成一疲劳寿命预测模型，包括：
将所述异种钢接头试件的标距段区域加热至一预设温度；
对所述异种钢接头试件的标距段区域施加轴向循环应力，进而得到所述裂纹扩展信息；
根据所述裂纹信息及所述轴向循环应力信息，生成所述疲劳寿命预测模型。
在优选的实施例中，所述将所述异种钢接头试件的标距段区域加热至一预设温度，包括：
将电磁感应线圈缠绕于所述异种钢接头试件的标距段区域；
导通所述电磁感应线圈，进而以恒定升温速率将所述异种钢接头试件的标距段区域进行加热。
利用一热电偶，采集所述异种钢接头试件的标距段区域的当前温度，以使其加热至一预设温度。
在优选的实施例中，所述将所述异种钢接头试件的标距段区域加热至一预设温度，还包括：
采用保温材料包围所述异种钢接头试件，以使其温度保持于所述预设温度。
在优选的实施例中，所述对所述连接处施加轴向循环应力，进而得到所述裂纹扩展信息，包括：
获取当前施加轴向应力的循环加载次数信息及产生的裂纹路径信息；
根据所述循环加载次数信息和所述裂纹路径信息，生成当前裂纹扩展速率信息，进而得到所述裂纹扩展信息。
在优选的实施例中，根据所述循环加载次数信息和所述裂纹路径信息，生成当前裂纹扩展速率信息，包括：
采用公式生成所述裂纹扩展速率信息，其中ai和aj分别为前后相邻两次间隔测量的裂纹扩展长度，Ni和Nj分别为前后相邻两次间隔测量裂纹长度的循环次数。
在优选的实施例中，根据所述裂纹扩展信息及所述轴向循环应力信息，生成所述疲劳寿命预测模型，包括：
获取所述轴向循环应力值信息、循环加载次数信息和对应的裂纹扩展速率信息；
以所述循环加载次数信息为x轴的值，所述轴向循环应力值为y轴的值，所述裂纹扩展速率信息为z轴的值，在一三维坐标系中绘制出对应的数据点；
将所有绘制出的所述数据点，拟合并生成拟合曲面方程；
将曲面方程对x轴进行积分，生成所述疲劳寿命预测模型，所述疲劳寿命预测模型的输入为待预测样品的标距段宽度及当前施加的轴向循环应力值信息，输出为最大循环次数。
本发明的又一方面，提供一种异种钢接头疲劳寿命预测装置，包括：
焊接接头构成信息获取模块，获取待预测的异种钢接头的构成信息；
疲劳寿命预测模型生成模块，根据所述异种钢接头的构成信息，确定对应的疲劳寿命预测模型；
疲劳寿命预测模块，根据所述疲劳寿命预测模型，预测出所述异种钢接头的疲劳寿命。
在优选的实施例中，所述疲劳寿命预测模型生成模块，包括：
异种钢接头试件制作单元，根据所述异种钢接头的构成信息，制作一对应的异种钢接头试件，其中所述异种钢接头试件中由两种耐热钢材料和焊缝材料组成的标距段区域与所述异种钢接头一致；
疲劳实验单元，对所述异种钢接头试件进行测试实验，根据测试实验得到的裂纹信息生成一疲劳寿命预测模型。
在优选的实施例中，所述裂纹扩展信息包括：异种钢接头试件的标距段区域的裂纹路径信息和裂纹扩展速率信息；
所述疲劳实验单元，包括：
加热单元，将所述异种钢接头试件的标距段区域加热至一预设温度；
裂纹扩展信息获取单元，对所述异种钢接头试件施加轴向循环应力，进而得到所述裂纹扩展信息；
预测模型生成单元，根据所述裂纹信息及所述轴向循环应力信息，生成所述疲劳寿命预测模型。
在优选的实施例中，所述加热单元，包括：
添加加热线圈单元，将加热线圈缠绕于所述异种钢接头试件的标距段区域；
导通加热线圈单元，导通所述加热线圈，进而以恒定升温速率将所述异种钢接头试件的标距段区域进行加热。
在优选的实施例中，所述加热单元，还包括：
温度采集单元，利用一热电偶，采集所述异种钢接头试件的标距段区域的当前温度，以使其加热至一预设温度。
在优选的实施例中，所述加热单元，还包括：
保温单元，采用保温材料包围所述异种钢接头试件，以使其温度保持于所述预设温度。
在优选的实施例中，所述裂纹扩展信息获取单元，包括：
测量单元，获取当前施加应力的循环加载次数信息及产生的裂纹路径信息；
裂纹扩展信息生成单元，根据所述循环加载次数信息和所述裂纹路径信息，生成当前裂纹扩展速率信息，进而得到所述裂纹扩展信息。
在优选的实施例中，所述裂纹扩展信息生成单元，包括：
裂纹扩展速率信息计算单元，采用公式生成所述裂纹扩展速率信息，其中ai和aj分别为前后相邻两次间隔测量的裂纹扩展长度，Ni和Nj分别为前后相邻两次间隔测量裂纹长度的循环次数。
在优选的实施例中，所述预测模型生成单元，包括：
信息获取单元，获取所述轴向循环应力值信息、循环加载次数信息和对应的裂纹扩展速率信息；
实验数据绘制单元，以所述循环加载次数信息为x轴的值，所述轴向循环应力值为y轴的值，所述裂纹扩展速率信息为z轴的值，在一三维坐标系中绘制出对应的数据点；
拟合单元，将所有绘制出的所述数据点，拟合并生成拟合曲面方程；
预测模型生成单元，将曲面方程对x轴进行积分，生成所述疲劳寿命预测模型，所述疲劳寿命预测模型的输入为待预测样品的标距段宽度及当前施加的轴向循环应力值信息，输出为最大循环次数。
本发明的又一方面，提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述方法的步骤。
本发明的又一方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述方法的步骤。
本发明实施例提供的异种钢接头疲劳寿命预测方法及装置，方法包括：获取待预测的异种钢接头的构成信息；根据所述异种钢接头的构成信息，确定对应的疲劳寿命预测模型；根据所述疲劳寿命预测模型，预测出所述异种钢接头的疲劳寿命。本发明可实现对高温疲劳裂纹扩展路径的实时观察和测量，进而得到疲劳裂纹的扩展速率，并且易于操作和控制，能节省试验过程中产生的经济和时间成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1是本发明提供的异种钢接头疲劳寿命预测方法的流程示意图。
图2是高温疲劳实验流程示意图。
图3是裂纹扩展信息获取流程示意图。
图4是预测模型生成流程示意图。
图5是具体实施例中异种钢接头试件的结构示意图。
图6是具体实施例中热电偶连接方式示意图。
图7是具体实施例中裂纹扩展速率与循环加载次数的数据散点图。
图8是具体实施例中根据数据散点的拟合结果示意图。
图9是本发明提供的异种钢接头疲劳寿命预测装置结构示意图。
图10是实施例提供的电子设备的实体结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
在具体的实施例中，如图1所示，对待预测的异种钢接头的疲劳寿命进行预测的具体步骤包括：
S1:获取待预测的异种钢接头的构成信息；
S2:根据所述异种钢接头的构成信息，确定对应的疲劳寿命预测模型；
S3:根据所述疲劳寿命预测模型，预测出所述异种钢接头的疲劳寿命。
具体的，异种钢接头由于长期处于高温环境下，并且还承受着一定的压力，所以对其疲劳寿命的预测需要最大程度地还原其所处的真实生产环境。可以理解的是，实际操作中需要根据待预测的异种钢接头的构成信息，制造出一个与其相似性比较大的测试件，然后利用测试件进行相应的疲劳试验，测量出相关数据，进而建立预测模型。
对于所述异种钢接头的构成信息，包括接头涉及的材料信息和测试件标距段的尺寸信息。在具体的实施例中，一异种钢接头为铁素体钢T92和奥氏体钢HR3C焊接形成的接头，T92/HR3C异种钢接头采用TIG氩弧焊工艺焊接，以ERNiCr-3镍基合金作为焊缝填充金属，以99.99％的纯氩气作为保护气体，进行多层多道焊接，最后采用合适的热处理制度进行焊后热处理。因此获取的材料信息如下：异种钢为铁素体钢T92和奥氏体钢HR3C，焊缝填充金属为ERNiCr-3镍基合金。采用游标卡尺等测量工具对待预测的异种钢接头试件尺寸进行测量，得到焊缝处尺寸信息，铁素体钢T92的尺寸信息，奥氏体钢HR3C的尺寸信息。
在具体的实施例中，根据获取的所述异种钢接头的构成信息，等比例制作一小尺寸标准测试件，对于该小尺寸标准测试件而言，其各材料的尺寸信息与待预测接头成比例关系，例如待预测接头的铁素体钢长10cm，宽3cm，高2cm，奥氏体钢长10cm，宽3cm，高2cm，焊缝金属长3cm，宽3cm，高2cm，设计测试件时将其等比例缩小2倍，即测试件的铁素体钢长5cm，宽1.5cm，高1cm，奥氏体钢长5cm，宽1.5cm，高1cm，焊缝处长1.5cm，宽1.5cm，高1cm。将标准测试件中有效的疲劳裂纹扩展区域定义为标距段，所述标距段应至少包含两种不同材料，如铁素体钢与焊缝金属或奥氏体钢与焊缝金属。
在具体的实施例中，标准测试件制作完成后，对所述异种钢接头试件进行测试实验，根据测试实验得到的裂纹信息生成一疲劳寿命预测模型。具体的，如图2所示，测试实验的具体步骤包括：
S101:将所述异种钢接头试件的标距段加热至一预设温度；
具体的，在现有技术中，对高温环境的模拟通常是将测试件采用固定夹具置于传统恒温炉内以辐射传热方式进行加热，即对整体进行加热。该种加热方式因机械夹具与试样接触位置在高周期的循环加载作用下产生较大结构应力，导致接头试样的非标距段优先起裂扩展，从而影响最终预测模型。为了解决此问题，本发明的具体实施例中，采用电磁感应线圈对标距段进行局部加热，在疲劳试验前，将电磁感应线圈仅环绕在异种钢接头试件的标距段区域。由于不采用夹具固定的方式，所以测试件两侧固定端无需额外加工销孔。在高温疲劳测试试验中，首先导通所述电磁感应线圈，电磁感应线圈在通入工作电流后，在标距段区域产生热效应，热量通过热传导传递至与之相接触的测试件，进而使得标距段加热至一预设温度。在具体的实施例中，对于标距段当前温度的实时测量，利用一热电偶，采集所述标准测试件的标距段的实时温度，当实时温度达到预设温度后，热电偶反馈一电信号至电磁感应线圈，以使电磁感应线圈调整电流为保温电流，进入保温模式。另一方面，为了最大程度地利用电磁感应线圈产生的热能，采用保温材料包围所述标距段，以使其温度能够保持于所述预设温度。具体的，保温材料可以选择耐高温和热导率低的金属，在标距段形成保护罩，减少测试件在恒温疲劳试验过程中的热量散失，保障试验温度保持稳定准确。
S102:对所述测试件施加轴向循环应力，进而得到所述裂纹扩展信息；
具体的，通过电磁感应线圈使测试件的标距段的温度加热到预设温度后，对所述测试件施加一轴向循环应力，来模拟实际生产环境中外界对异种钢接头的作用力。由于对处于高温环境的测试件的标距段施加了轴向循环应力，标距段的焊缝金属或耐热钢侧会逐渐萌生裂纹，然后裂纹逐渐扩展。在具体的实施例中，对所述测试件的标距段施加轴向循环应力，进而得到所述裂纹扩展信息，如图3，包括：
S1021:获取当前轴向循环应力的循环次数信息及产生的裂纹路径信息；
具体的，当施加一定轴向循环应力后，标距段中的裂纹开始萌生并且随着循环加载次数的增大，裂纹逐渐扩展。在具体的实施例中，对于裂纹路径信息的获取是通过一扫描电镜来实时观察的。通过在外层金属罩上设置小直径的观察孔，便于在扫描电镜真空室中高能电子束通过该孔径的观察范围在异种钢接头试件的标距段上扫描，金属表面反射的二次电子在电子显微镜中高倍率成像并观测疲劳裂纹的扩展路径的动态变化过程。对与裂纹路径信息的表达，分为两个阶段，即裂纹萌生区(I区)和裂纹扩展区(II区)。裂纹路径信息表达式为：
其中W为异种钢接头试件的标距段长度(mm)，a为裂纹路径长度(mm)，N为疲劳循环周次，μI和μII分别为I区和II区的裂纹长度比例系数，△a为测量前后两次应力施加的裂纹长度差值。
S1022:根据所述循环加载次数信息和所述裂纹路径信息，生成当前裂纹扩展速率信息，进而得到所述裂纹扩展信息。
具体的，对裂纹扩展速率的计算，是根据两次测量的裂纹路径长度之差与对应的循环次数间隔的比值来计算的，具体公式如下：
其中ai和aj分别为前后相邻两次间隔测量的裂纹扩展长度，Ni和Nj分别为前后相邻两次间隔测量裂纹长度的循环次数。例如第10000次施加应力后，测量出裂纹长度为2.5mm，第10050次施加应力后，测量出裂纹长度为3mm，则Ni为10000，ai为2.5mm，Nj为10050，aj为3mm，计算出相邻两次统计的循环次数间隔内的裂纹扩展速率为0.5mm/50次＝0.01mm/次。
S103:根据所述裂纹扩展信息及所述轴向循环应力信息，生成所述疲劳寿命预测模型。
具体的，异种钢接头的疲劳寿命与施加的最大循环应力是紧密相关的，施加的最大循环应力越大，则其疲劳寿命越短。所以在具体的实施例中，建立的疲劳寿命预测模型为一自变量为应力值和循环加载次数，因变量为裂纹扩展速率的模型。对于疲劳寿命预测模型的生成，参见图4，其具体步骤包括：
S1031:获取所述轴向循环应力值信息、循环加载次数信息和对应的裂纹扩展速率信息；
S1032:以所述循环加载次数信息为x轴的值，所述轴向循环应力值为y轴的值，所述裂纹扩展速率信息为z轴的值，在一三维坐标系中绘制出对应的数据点；
S1033:统计并绘制所有实验数据点，在所述三维坐标系中拟合并生成拟合曲面方程；
S1034:将曲面方程对x轴进行积分，生成所述疲劳寿命预测模型，所述疲劳寿命预测模型的输入为待预测样品的标距段宽度及当前施加的循环加载应力信息，输出为最大循环次数。
结合一具体实施场景对本发明作进一步说明。
以T92/HR3C异种钢焊接接头的高温疲劳试验方法为例：
1.测试件制备。T92为铁素体钢、HR3C为奥氏体钢，T92/HR3C异种钢焊接接头采用TIG氩弧焊工艺焊接，以ERNiCr-3镍基合金作为焊缝填充金属，以99.99％的纯氩气作为保护气体，进行多层多道焊接，最后采用合适的热处理制度进行焊后热处理。测试件的长度45mm，标距段宽度4.5mm，标距段区域包含T92、HR3C和镍基焊缝金属(参见附图5)。
2.疲劳试验前准备。将T92/HR3C异种钢接头疲劳试样与试验机夹具紧密装配，外加U型电磁感应线圈环绕在试样标距段区域，且不会遮挡观察范围。用金属罩覆盖整个加热试样，其正上方设置直径约为5mm的观察孔，通过扫描电镜可观察到T92和镍基焊缝区两种金属材料；试样的下表面接入K型热电偶丝，可精确控制试样的试验温度(参见附图6)。将整个装配体放置在扫描电镜真空室中，通电流将试样该区域快速加热至640℃，保温约10分钟。
3.疲劳试验过程和试验结果。通过频率f＝10Hz的正弦波循环加载T92/HR3C异种钢接头疲劳试样，疲劳试验均在应力比R＝0.1进行拉-拉加载。通过原位扫描电镜，观察试样焊缝区循环11300～27000周次的裂纹扩展路径变化，拍摄高倍照片测量疲劳裂纹的扩展长度。根据拍摄的裂纹长度计算试样的疲劳裂纹扩展速率，结合施加最大循环应力值和循环次数，绘制出所有试验点(参见附图7)。
4.疲劳预测模型的建立。对试验得出的试验数据点进行拟合，拟合方法选择为多项式拟合法，针对对图7中的低应力加载的数据点拟合出的裂纹扩展速率与循环加载次数之间的关系方程为：
y＝4.3245×10-25x7-3.4196×10-19x6+1.0982×10-13x5-1.8733×10-8x4+1.8444×10-3x3
-1.0534×102x2+0.3247×107x-4178.8694×107
实际绘制的拟合图如图8所示。对以上方程对x进行积分，即可以获得裂纹长度与循环加载次数的关系方程。已知待预测的异种钢接头试件的标距段宽度为4.5mm，当裂纹测量长度达到标距段宽度的0.6倍即2.7mm时，异种钢接头试件会发生快速断裂，将该裂纹长度代入公式中，计算出该轴向循环应力的循环次数为126940，该循环次数则为所预测的疲劳寿命。
本发明实施例提供的异种钢接头疲劳寿命预测方法，与传统试验方法中试样被整体均匀加热相比，通过对异种钢接头进行局部特定区域加热，确保在试样标距段发生疲劳起裂，避免试样与夹具装配后因结构过载等因素导致在非标距段发生断裂，从而有效分析异种钢接头的疲劳断裂位置和断裂方式。同时在微观层面(断裂力学角度)对高温环境下异种钢接头疲劳裂纹的萌生和扩展整个路径过程进行实时观测，能直观分析异种钢接头试样的高温疲劳裂纹扩展情况，使得建立的预测模型更加准确。
从软件层面来说，本申请提供一种用于执行所述异种钢接头疲劳寿命预测方法中全部或部分内容的异种钢接头疲劳寿命预测装置的实施例，参见图9，所述异种钢接头疲劳寿命预测装置具体包含有如下内容：
接头构成信息获取模块1，获取待预测的异种钢接头的构成信息；
疲劳寿命预测模型生成模块2，根据所述异种钢接头的构成信息，确定对应的疲劳寿命预测模型；
疲劳寿命预测模块3，根据所述疲劳寿命预测模型，预测出所述异种钢接头的疲劳寿命。
在具体的实施例中，异种钢接头由于长期处于高温环境下，并且还承受着一定的压力，所以对其疲劳寿命的预测需要最大程度地还原其所处的真实生产环境。可以理解的是，实际操作中需要根据待预测的异种钢接头的构成信息，制造出一个与其相似性比较大的测试件，然后利用测试件进行相应的疲劳试验，测量出相关数据，进而建立预测模型。
对于所述异种钢接头的构成信息，包括接头涉及的材料信息和各材料的尺寸信息。在具体的实施例中，一异种钢接头为铁素体钢T92和奥氏体钢HR3C的接头，T92/HR3C异种钢接头采用TIG氩弧焊工艺焊接，以ERNiCr-3镍基合金作为焊缝填充金属，以99.99％的纯氩气作为保护气体，进行多层多道焊接，最后采用合适的热处理制度进行焊后热处理。因此获取的材料信息如下：异种钢为铁素体钢T92和奥氏体钢HR3C，焊缝填充金属为ERNiCr-3镍基合金。采用游标卡尺等测量工具对待预测的异种钢接头尺寸进行测量，得到焊缝金属尺寸信息，T92铁素体钢的尺寸信息，HR3C奥氏体钢的尺寸信息。
在具体的实施例中，根据获取的所述异种钢接头的构成信息，等比例制作一小尺寸标准测试件，对于该小尺寸异种钢接头试件而言，其各材料的尺寸信息与待预测的异种钢接头试件成比例关系，例如待预测的异种钢接头试件的铁素体钢长10cm，宽3cm，高2cm，奥氏体钢长10cm，宽3cm，高2cm，焊缝处长3cm，宽3cm，高2cm，设计测试件时将其等比例缩小2倍，即测试件的铁素体钢长5cm，宽1.5cm，高1cm，奥氏体钢长5mm，宽1.5cm，高1cm，焊缝处长1.5cm，宽1.5cm，高1cm。将测试件中有效的疲劳裂纹扩展区域定义为标距段，所述标距段应至少包含两种不同材料，如铁素体钢与焊缝金属或奥氏体钢与焊缝金属。
在具体的实施例中，标准测试件制作完成后，对所述异种钢接头试件进行测试实验，根据测试实验得到的裂纹扩展信息生成一疲劳寿命预测模型。具体的，测试实验的执行装置包括：
加热单元：将所述标准测试件的标距段区域加热至一预设温度；
具体的，在高温疲劳测试试验中，首先导通所述电磁感应线圈，在通入工作电流后电磁感应线圈产生热效应，热量通过热传导传递至与之相接触的测试件，进而使得标距段加热至一预设温度。在具体的实施例中，对于标距段当前温度的实时测量，利用一热电偶，采集所述标距段的实时温度，当实时温度达到预设温度后，热电偶反馈一电信号至加热线圈，以使电磁感应线圈调整电流为保温电流，进入保温模式。另一方面，为了最大程度地利用电磁感应线圈产生的热能，采用保温材料包围所述标距段，以使其温度能够保持于所述预设温度。具体的，保温材料可以选择耐高温的金属，在标距段形成保护罩，减少测试件在恒温疲劳试验过程中的热量散失，保障温度更加稳定准确。
裂纹扩展信息获取单元:对所述测试件施加轴向循环应力，进而得到所述裂纹扩展信息；
具体的，通过加热线圈将标距段加热至预设温度后，对所述异种钢接头试件施加一轴向循环应力，来模拟实际生产环境中外界对接头的作用力。由于对处于高温环境的异种钢接头试件施加了轴向应力，异种钢接头试件的标距段中焊缝金属或耐热钢侧会逐渐萌生裂纹，然后裂纹逐渐扩展。
在具体的实施例中，所述裂纹信息获取单元可具体包括：
测量单元:获取当前轴向循环应力的循环次数信息及产生的裂纹路径信息；
具体的，当施加一定循环次数的轴向应力后，标距段中的裂纹开始萌生并且随着循环加载次数的增大，裂纹逐渐扩展。在具体的实施例中，对于裂纹路径信息的获取是通过一扫描电镜来实时观察的。通过在外层金属罩上设置小直径的观察孔，便于在扫描电镜真空室中高能电子束通过该孔径的观察范围在标距段区域上扫描，金属表面反射的二次电子在电子显微镜中高倍率成像并观测疲劳裂纹扩展路径的动态变化过程。对与裂纹路径信息的表达，分为两个阶段，即裂纹萌生区(I区)和裂纹扩展区(II区)。裂纹路径信息表达式为：
其中W为试样标距段长度(mm)，a为裂纹路径长度(mm)，N为疲劳循环周次，μI和μII分别为I区和II区的裂纹长度比例系数，△a为测量前后两次应力施加的裂纹长度差值。
裂纹信息生成单元:根据所述循环次数信息和所述裂纹路径信息，生成当前裂纹扩展速率信息，进而得到所述裂纹扩展信息。
具体的，对裂纹扩展速率的计算，是根据两次测量的裂纹路径长度之差与对应的循环次数间隔的比值来计算的，具体公式如下：
其中ai和aj分别为前后相邻两次间隔测量的裂纹扩展长度，Ni和Nj分别为前后相邻两次间隔测量裂纹长度的循环次数。例如第10000次施加应力后，测量出裂纹长度为2.5mm，第10050次施加应力后，测量出裂纹长度为3mm，则Ni为10000，ai为2.5mm，Nj为10050，aj为3mm，计算出该循环次数间隔内的裂纹扩展速率为0.5mm/50次＝0.01mm/次。
预测模型生成单元:根据所述裂纹扩展信息及所述轴向循环应力信息，生成所述疲劳寿命预测模型。
具体的，异种钢接头的疲劳寿命与轴向循环应力是紧密相关的，施加的应力越大，则其疲劳寿命越短。所以在具体的实施例中，建立的疲劳寿命预测模型为一自变量为轴向应力值和循环加载次数，因变量为裂纹扩展速率的模型。对于预测模型生成单元中具体包括：
信息获取单元:获取所述轴向循环应力值信息，循环加载应力次数信息和对应的裂纹扩展速率信息；
实验数据绘制单元:以所述循环加载次数信息为x轴的值，所述轴向循环应力值为y轴的值，所述裂纹扩展速率信息为z轴的值，在一三维坐标系中绘制出对应的数据点；
拟合单元:将所有绘制出的所述数据点，拟合并生成拟合曲面方程；
预测模型生成单元:将曲面方程对x轴进行积分，生成所述疲劳寿命预测模型，所述疲劳寿命预测模型的输入为待预测样品的标距段宽度及当前轴向循环应力值信息，输出为最大循环次数。
本发明实施例提供的装置的实施例具体可以用于执行上述各方法实施例的处理流程，其功能在此不再赘述，可以参照上述方法实施例的详细描述。基于本装置实现对高温疲劳裂纹扩展路径的实时观察和测量，进而得到疲劳裂纹的扩展速率，并且易于操作和控制，能节省试验过程中产生的经济和时间成本。
图10是本发明实施例提供的电子设备的实体结构示意图，如图10所示，电子设备600可以包括：处理器100和存储器140。存储器140耦合到处理器100。处理器100可以调用存储器140中的逻辑指令，以执行如下方法：获取待预测的异种钢接头的构成信息；根据所述异种钢接头的构成信息，确定对应的疲劳寿命预测模型；根据所述疲劳寿命预测模型，预测出所述异种钢接头的疲劳寿命。
本实施例公开一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：获取待预测的异种钢接头的构成信息；根据所述异种钢接头的构成信息，确定对应的疲劳寿命预测模型；根据所述疲劳寿命预测模型，预测出所述异种钢接头的疲劳寿命。
本实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机程序，所述计算机程序使所述计算机执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：获取待预测的异种钢接头的构成信息；根据所述异种钢接头的构成信息，确定对应的疲劳寿命预测模型；根据所述疲劳寿命预测模型，预测出所述异种钢接头的疲劳寿命。
如图10所示，电子设备600还可以包括：通信模块110、输入单元120、音频处理器130、显示器160、电源170。值得注意的是，电子设备600也并不是必须要包括图10中所示的所有部件；此外，电子设备600还可以包括图10中没有示出的部件，可以参考现有技术。值得注意的是，该图是示例性的；还可以使用其他类型的结构，来补充或代替该结构，以实现电信功能或其他功能。
如图10所示，处理器100有时也称为控制器或操作控件，可以包括微处理器或其他处理器装置和/或逻辑装置，处理器100接收输入并控制电子设备600的各个部件的操作。
其中，存储器140，例如可以是缓存器、闪存、硬驱、可移动介质、易失性存储器、非易失性存储器或其它合适装置中的一种或更多种。可储存上述与失败有关的信息，此外还可存储执行有关信息的程序。并且处理器100可执行存储器140存储的该程序，以实现信息存储或处理等。
输入单元120向处理器100提供输入。输入单元120例如为按键或触摸输入装置。电源170用于向电子设备600提供电力。显示器160用于进行图像和文字等显示对象的显示。显示器160例如可为LCD显示器，但并不限于此。
存储器140可以是固态存储器，例如，只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、SIM卡等。还可以是这样的存储器，其即使在断电时也保存信息，可被选择性地擦除且设有更多数据，存储器140的示例有时被称为EPROM等。存储器140还可以是某种其它类型的装置。存储器140包括缓冲器141(有时被称为缓冲存储器)。存储器140可以包括应用/功能存储部142，应用/功能存储部142用于存储应用程序和功能程序或用于通过处理器100执行电子设备600的操作的流程。
存储器140还可以包括数据存储部143，该数据存储部143用于存储数据，例如联系人、数字数据、图片、声音和/或任何其他由电子设备使用的数据。存储器140的驱动程序存储部144可以包括电子设备的用于通信功能和/或用于执行电子设备的其他功能(如消息传送应用、通讯录应用等)的各种驱动程序。
通信模块110包括经由天线111发送和接收信号的发送机/接收机。通信模块110耦合到处理器100，以提供输入信号和接收输出信号，这可以和常规移动通信终端的情况相同。
基于不同的通信技术，在同一电子设备中，可以设置有多个通信模块110，如蜂窝网络模块、蓝牙模块和/或无线局域网模块等。通信模块110还经由音频处理器130耦合到扬声器131和麦克风132，以经由扬声器131提供音频输出，并接收来自麦克风132的音频输入，从而实现通常的电信功能。音频处理器130可以包括任何合适的缓冲器、解码器、放大器等。另外，音频处理器130还耦合到处理器100，从而使得可以通过麦克风132能够在本机上录音，且使得可以通过扬声器131来播放本机上存储的声音。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明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，本发明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。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、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。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一个具体实施例”、“一些实施例”、“例如”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (14)
1.一种异种钢接头疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括：
获取待预测的异种钢接头的构成信息；
根据所述异种钢接头的构成信息，确定对应的疲劳寿命预测模型；
根据所述疲劳寿命预测模型，预测出所述异种钢接头的疲劳寿命；
其中，所述根据所述异种钢接头的构成信息，确定对应的疲劳寿命预测模型，包括：
根据所述异种钢接头的构成信息，制作一对应的异种钢接头试件，其中所述异种钢接头试件中由两种耐热钢材料和焊缝材料组成的标距段区域与所述异种钢接头一致；
对所述异种钢接头试件进行测试实验，根据测试实验得到的裂纹扩展信息生成一疲劳寿命预测模型；
其中，所述裂纹扩展信息包括：异种钢接头试件的标距段区域的裂纹路径信息和裂纹扩展速率信息；
对所述异种钢接头试件进行测试实验，根据测试实验得到的裂纹扩展信息生成一疲劳寿命预测模型，包括：
将所述异种钢接头试件的标距段区域加热至一预设温度；
对所述异种钢接头试件施加轴向循环应力，进而得到所述裂纹扩展信息；
根据所述裂纹扩展信息及轴向循环应力信息，生成所述疲劳寿命预测模型。
2.根据权利要求1所述的一种异种钢接头疲劳寿命预测方法，其特征在于，将所述异种钢接头试件的标距段区域加热至一预设温度，包括：
将电磁感应线圈缠绕于所述异种钢接头试件的标距段区域；
导通所述电磁感应线圈，进而以恒加热速率将所述异种钢接头试件的标距段区域进行升温；
利用一热电偶，采集所述异种钢接头试件的标距段区域的当前温度，以使其加热至一预设温度。
3.根据权利要求2所述的一种异种钢接头疲劳寿命预测方法，其特征在于，将所述异种钢接头试件的标距段区域加热至一预设温度，还包括：
采用保温材料包围所述异种钢接头试件的标距段区域，以使其温度保持于所述预设温度。
4.根据权利要求1所述的一种异种钢接头疲劳寿命预测方法，其特征在于，对所述异种钢接头试件的标距段区域施加轴向循环应力，进而得到所述裂纹扩展信息，包括：
获取当前轴向循环应力的循环次数信息及产生的裂纹路径信息；
根据所述轴向循环应力的循环次数信息和所述裂纹路径信息，生成当前裂纹扩展速率信息，进而得到所述裂纹扩展信息。
5.根据权利要求4所述的一种异种钢接头疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述根据所述轴向循环应力的循环次数信息和所述裂纹路径信息，生成当前裂纹扩展速率信息，包括：
采用公式生成所述裂纹扩展速率信息，其中ai和aj分别为前后相邻两次间隔测量的裂纹扩展长度，Ni和Nj分别为前后相邻两次间隔测量裂纹长度的循环次数。
6.根据权利要求1所述的一种异种钢接头疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述根据所述裂纹扩展信息及所述轴向循环应力信息，生成所述疲劳寿命预测模型，包括：
获取所述轴向循环应力值信息、循环加载次数信息和对应的裂纹扩展速率信息；
以所述循环加载次数信息为x轴的值，所述轴向循环应力值为y轴的值，所述裂纹扩展速率信息为z轴的值，在一三维坐标系中绘制出对应的数据点；
将所有绘制出的所述数据点，拟合并生成拟合曲面方程；
将曲面方程对x轴进行积分，生成所述疲劳寿命预测模型，所述疲劳寿命预测模型的输入为待预测样品的标距段宽度及当前施加的轴向循环应力信息，输出为最大循环次数；其中，所述轴向循环应力信息包括所述轴向循环应力值信息和所述循环加载次数信息。
7.一种异种钢接头疲劳寿命预测装置，其特征在于，包括：
接头构成信息获取模块，获取待预测的异种钢接头的构成信息；
疲劳寿命预测模型生成模块，根据所述异种钢接头的构成信息，确定对应的疲劳寿命预测模型；
疲劳寿命预测模块，根据所述疲劳寿命预测模型，预测出所述异种钢接头的疲劳寿命；
其中，所述疲劳寿命预测模型生成模块，包括：
异种钢接头试件制作单元，根据所述异种钢接头的构成信息，制作一对应的异种钢接头试件，其中所述异种钢接头试件的标距段区域均与所述异种钢接头一致；
疲劳实验单元，对所述异种钢接头试件进行测试实验，根据测试实验得到的裂纹扩展信息生成一疲劳寿命预测模型；
其中，所述裂纹扩展信息包括：标距段区域的裂纹路径信息和裂纹扩展速率信息；
所述疲劳实验单元，包括：
加热单元，将所述异种钢接头试件加热至一预设温度；
裂纹扩展信息获取单元，对所述异种钢接头试件施加轴向循环应力，进而得到所述裂纹扩展信息；
预测模型生成单元，根据所述裂纹扩展信息及轴向循环应力信息，生成所述疲劳寿命预测模型。
8.根据权利要求7所述的一种异种钢接头疲劳寿命预测装置，其特征在于，所述加热单元，包括：
添加电磁感应线圈单元，将电磁感应线圈缠绕于所述异种钢接头试件的标距段区域；
导通电磁感应线圈单元，导通所述电磁感应线圈，进而以恒加热速率将所述异种钢接头试件的标距段区域进行升温；
温度采集单元，利用一热电偶，采集所述异种钢接头试件的标距段区域的当前温度，以使其加热至一预设温度。
9.根据权利要求8所述的一种异种钢接头疲劳寿命预测装置，其特征在于，所述加热单元，还包括：
保温单元，采用保温材料包围所述异种钢接头试件的标距段区域，以使其温度保持于所述预设温度。
10.根据权利要求7所述的一种异种钢接头疲劳寿命预测装置，其特征在于，所述裂纹扩展信息获取单元，包括：
测量单元，获取当前施加应力的循环加载次数信息及产生的裂纹扩展路径信息；
裂纹信息生成单元，根据所述循环加载次数信息和所述裂纹扩展路径信息，生成当前裂纹扩展速率信息，进而得到所述裂纹扩展信息。
11.根据权利要求10所述的一种异种钢接头疲劳寿命预测装置，其特征在于，所述裂纹信息生成单元，包括：
裂纹扩展速率信息计算单元，采用公式生成所述裂纹扩展速率信息，其中ai和aj分别为前后相邻两次间隔测量的裂纹扩展长度，Ni和Nj分别为前后相邻两次间隔测量裂纹长度的循环次数。
12.根据权利要求7所述的一种异种钢接头疲劳寿命预测装置，其特征在于，所述预测模型生成单元，包括：
信息获取单元，获取所述轴向循环应力值信息，施加循环加载次数信息和对应的裂纹扩展速率信息；
实验数据绘制单元，以所述循环加载次数信息为x轴的值，所述轴向循环应力值为y轴的值，所述裂纹扩展速率信息为z轴的值，在一三维坐标系中绘制出对应的数据点；
拟合单元，将所有绘制出的所述数据点，拟合并生成拟合曲面方程；
预测模型生成单元，将曲面方程对x轴进行积分，生成所述疲劳寿命预测模型，所述疲劳寿命预测模型的输入为待预测样品的标距段宽度及当前施加的轴向循环应力值信息，输出为最大循环次数；其中，所述轴向循环应力信息包括所述轴向循环应力值信息和所述循环加载次数信息。
13.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至6任一项所述方法的步骤。
14.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至6任一项所述方法的步骤。
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|---|---|
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