本發(fā)明涉及構(gòu)件疲勞性能測試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種復(fù)雜載荷和環(huán)境下的構(gòu)件壽命預(yù)測方法。

背景技術(shù)：

二十一世紀以來，民用和軍事裝備(例如卡車、坦克、艦艇和飛機等)不斷向大容量、大功率、高效能和輕量化等方向發(fā)展，然而這會導(dǎo)致其動力裝備(內(nèi)燃機、燃氣輪機和航空發(fā)動機)的可靠性明顯降低，成為制約高端裝備設(shè)計、制造和廣泛使用的瓶頸。動力裝備服役過程中，關(guān)鍵構(gòu)件在啟動、停機和長期使用過程中承受高強度的循環(huán)機械與熱載荷，使得材料力學(xué)性能隨時間變化而發(fā)生明顯的劣化，進而使構(gòu)件產(chǎn)生疲勞失效，造成服役壽命嚴重不足。例如，內(nèi)燃機在啟動、停機、加載等運行工況發(fā)生急劇變化過程中，缸蓋火力面一側(cè)受到高壓高溫燃氣高頻率反復(fù)沖刷，冷卻水腔區(qū)域則溫度較低，導(dǎo)致缸蓋內(nèi)部溫度梯度和熱應(yīng)力很大；加上氣門的沖擊導(dǎo)致缸蓋要承受很高的熱機械循環(huán)載荷作用，從而導(dǎo)致缸蓋“鼻梁區(qū)”開裂而致使缸蓋失效，所以研究缸蓋構(gòu)件壽命預(yù)測方法意義重大。目前對于缸蓋的疲勞性能測試，一方面通過測試材料的拉伸、低周疲勞、熱機疲勞、蠕變和氧化等大量試驗，利用相關(guān)模型預(yù)測構(gòu)件疲勞壽命；另一方面可以通過臺架實驗按照標準規(guī)范分別考核缸蓋低周和高周熱沖擊性能，然后通過損傷程度判定安全性。

雖然進行復(fù)雜服役工況構(gòu)件的壽命預(yù)測時，可以通過測試材料高溫疲勞性能或通過臺架熱沖擊實驗測試構(gòu)件的疲勞性能，但這些方法均存在實驗量大、試驗成本高和試驗周期長的問題。因此，探究一種適用復(fù)雜服役工況下的簡便、快捷的構(gòu)件疲勞壽命測試方法是目前亟需解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足之處，本發(fā)明的目的在于提供一種復(fù)雜載荷和環(huán)境下的構(gòu)件壽命預(yù)測方法，該方法通過合理設(shè)計即可在配有加熱設(shè)備的常規(guī)疲勞試驗機實現(xiàn)，成本較低、操作方便，適用于內(nèi)燃機、航空發(fā)動機和燃氣輪機等復(fù)雜服役工況下構(gòu)件疲勞壽命測試與表征。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

一種復(fù)雜載荷和環(huán)境下的構(gòu)件壽命預(yù)測方法，該方法包括如下步驟：

(1)通過有限元分析獲得不同工況下(啟動、停機、怠速、額定功率等)關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)力(應(yīng)變)和溫度特征(包括應(yīng)力的變化及分布，以及溫度的變化及分布情況)；

(2)測試關(guān)鍵構(gòu)件的實際應(yīng)力(應(yīng)變)和溫度特征(一般根據(jù)經(jīng)驗或文獻測試關(guān)鍵構(gòu)件中典型位置的特征即可)，并根據(jù)所得實際應(yīng)力(應(yīng)變)和溫度特征對步驟(1)中的有限元分析結(jié)果進行驗證和校對；

(3)將步驟(2)校對后的關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)力(應(yīng)變)和溫度特征進行簡化后，建立關(guān)鍵構(gòu)件的服役載荷譜；

(4)確定關(guān)鍵構(gòu)件上的關(guān)鍵部位，然后根據(jù)該關(guān)鍵部位的應(yīng)力(應(yīng)變)和溫度特征(簡化后的測試結(jié)果)，選擇等溫拉-拉、拉-壓、三點彎曲(四點彎曲)，熱疲勞和熱機疲勞中的一種或幾種作為疲勞加載形式；

(5)根據(jù)關(guān)鍵部位的最大應(yīng)力、幾何形狀、尺寸和表面狀態(tài)，結(jié)合疲勞試驗機最大載荷，制備等比例或縮放比例的簡化構(gòu)件以及與簡化構(gòu)件相對應(yīng)的夾具工裝，該簡化構(gòu)件能夠反映關(guān)鍵部位的服役工況；

(6)結(jié)合步驟(3)中確定的服役載荷譜，按照步驟(4)中選擇的疲勞加載形式，在疲勞試驗機上測試簡化構(gòu)件的疲勞性能，進而計算服役構(gòu)件的疲勞壽命。

上述步驟(1)中，所述關(guān)鍵構(gòu)件的確定過程為：通過失效分析、有限元方法分析和/或文獻調(diào)研的結(jié)果，確定服役動力設(shè)備中承受應(yīng)力或應(yīng)變最大的構(gòu)件，該構(gòu)件稱之為關(guān)鍵構(gòu)件。

上述步驟(2)中，所述驗證和校對過程中應(yīng)選擇應(yīng)變和溫度的邊界值(如最大值和最小值等)進行校對。

上述步驟(4)中，所述關(guān)鍵構(gòu)件上的關(guān)鍵部位是指：在關(guān)鍵構(gòu)件中，該關(guān)鍵部位的應(yīng)力(應(yīng)變)狀態(tài)和表面狀態(tài)都與服役構(gòu)件一致，且并該關(guān)鍵部位能代表所述關(guān)鍵構(gòu)件的服役工況。

所述步驟(6)具體采用以下兩種方式進行：

第一種方式為：結(jié)合關(guān)鍵構(gòu)件具體服役工況，通過有限元計算出服役構(gòu)件在不同工況的載荷譜(內(nèi)燃機在啟動、停機、怠速和額定功率等工況)，再從相似工況中選擇損傷最嚴重的工況(啟停和額定功率)載荷譜作為加載應(yīng)力幅，對待測構(gòu)件進行應(yīng)變控制的熱機疲勞加載，至少測試三個樣品，獲得構(gòu)件的疲勞壽命；

第二種方式為：對步驟(3)中簡化后所得服役載荷譜進一步分為單獨的啟停和額定功率兩個過程，兩個過程分別按照載荷譜進行熱機械疲勞和高溫高周疲勞實驗(熱機疲勞的最高溫度)，通過線性累積方法計算出構(gòu)件的疲勞壽命。如果測試或計算壽命過于保守，可以考慮在增加一工況重復(fù)上述方法，獲得相應(yīng)疲勞壽命。

本發(fā)明設(shè)計原理及有益效果如下：

本發(fā)明通過有限元方法分析關(guān)鍵構(gòu)件不同工況承載狀態(tài)和溫度分布；結(jié)合實際測試和失效分析等結(jié)果，確認關(guān)鍵構(gòu)件的危險部位；根據(jù)構(gòu)件最危險部位的形狀設(shè)計出反映形狀和應(yīng)力(應(yīng)變的)特征的簡化構(gòu)件；根據(jù)應(yīng)力(應(yīng)變)和溫度的變化范圍規(guī)律，建立構(gòu)件的載荷譜，進行適當(dāng)簡化確認加載形式；制作簡化構(gòu)件和對應(yīng)夾具工裝，然后在試驗機上按照載荷譜測試構(gòu)件的疲勞性能，進而測試服役構(gòu)件的疲勞壽命。本發(fā)明解決了復(fù)雜載荷和環(huán)境下的關(guān)鍵構(gòu)件難于測試和材料的高溫疲勞性能測試成本很高的問題，提供了一種基于復(fù)雜載荷和環(huán)境的構(gòu)件疲勞性能測試、表征與優(yōu)化方法。本發(fā)明通過分析驗證和合理設(shè)計，可在配有電阻或電磁感應(yīng)加熱設(shè)備的常規(guī)疲勞試驗機上實現(xiàn)，測試成本低、時間短、操作方便，適用于內(nèi)燃機和燃氣輪機制等復(fù)雜服役工況的構(gòu)件。

附圖說明

圖1內(nèi)燃機缸蓋示意圖及其危險位置，圖中方框為危險位置。

圖2為柴油機內(nèi)燃機在啟動、停機和運行等工況應(yīng)力(應(yīng)變)示意圖：(a)啟停、怠速和運行三種工況；(b)啟停和高速運行兩種工況；(c)簡化啟停工況；(d)簡化高速運行工況。

具體實施方式

為了進一步理解本發(fā)明，以下結(jié)合實施例對本發(fā)明進行描述，但實施例僅為對本發(fā)明的特點和優(yōu)點做進一步闡述，而不是對本發(fā)明權(quán)利要求的限制。

實施例1

采用本發(fā)明方法，利用帶有加熱設(shè)備的常規(guī)實驗機，對動力設(shè)備內(nèi)燃機進行缸蓋火力面關(guān)鍵構(gòu)件的疲勞壽命測試。

缸蓋是形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜、服役工況最惡劣的內(nèi)燃機燃燒室構(gòu)件。內(nèi)燃機缸蓋內(nèi)部有復(fù)雜的冷卻水腔、進氣道和排氣道，斷面壁厚差很大。缸蓋工作時，燃燒室火力面一側(cè)和排氣道受到高壓高溫燃氣高頻率反復(fù)沖刷，進氣道和冷卻水腔區(qū)域則溫度較低，導(dǎo)致缸蓋內(nèi)部溫度梯度和熱應(yīng)力很大；而且工作過程中反復(fù)受到高壓燃氣和氣門沖擊，要承受很高的熱機械循環(huán)載荷作用。這個復(fù)雜的區(qū)域稱之為“鼻梁區(qū)”(如圖1所示方框)。缸蓋構(gòu)件的失效大部分源于鼻梁區(qū)的熱機械疲勞(如圖1所示的裂紋)，具體測試過程舉例如下：

(1)通過失效分析，并結(jié)合有限元方法分析和文獻調(diào)研的結(jié)果，確認內(nèi)燃機各構(gòu)件中應(yīng)力或應(yīng)變最大的構(gòu)件，該構(gòu)件稱之為關(guān)鍵構(gòu)件，對于內(nèi)燃機來講，缸蓋是關(guān)鍵構(gòu)件之一(如圖1所示)；

(2)通過有限元計算不同工況(例如，啟動、停機、運行(怠速、不同額定功率)等)下關(guān)鍵構(gòu)件(即缸蓋)的應(yīng)力(應(yīng)變)和溫度的變化及分布情況，熱載荷與機械載荷如圖2(a)所示；

(3)結(jié)合關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)力(應(yīng)變)和溫度特征，選擇關(guān)鍵構(gòu)件上典型位置測試實際的應(yīng)變和溫度變化和分布情況，并根據(jù)實際測試結(jié)果對步驟(2)中有限元分析結(jié)果進行驗證和校對，盡量選擇應(yīng)變和溫度的最大和最小值等邊界值(圖2(a)中的圓點處)進行校對；

(4)將校對后的有限元分析的應(yīng)力(應(yīng)變)和溫度隨工況的變化規(guī)律進行適當(dāng)簡化，適當(dāng)考慮測試設(shè)備的特性，建立關(guān)鍵構(gòu)件的服役載荷譜；對于內(nèi)燃機來講，其簡化后的載荷譜如圖2(b)所示，選擇損傷最嚴重的工況(啟停和高速運行(例如額定功率和80％額定功率等))；考慮到冷卻速度，熱載荷的起始溫度設(shè)定在120℃，最高溫度為120℃，升溫降溫各60秒；

(5)確定關(guān)鍵構(gòu)件上的關(guān)鍵部位，所確定的關(guān)鍵部位的應(yīng)力(應(yīng)變)狀態(tài)與服役構(gòu)件一致并能代表構(gòu)件的服役工況。對于內(nèi)燃機缸蓋來講，缸蓋最危險位置是鼻梁區(qū)(如圖1所示方框)；

(6)根據(jù)關(guān)鍵部位的溫度和應(yīng)力(應(yīng)變)狀態(tài)(簡化后的載荷譜)，選擇等溫拉-拉、拉-壓、壓-壓、三點彎曲(四點彎曲)、熱疲勞或熱機疲勞等作為疲勞加載形式；對于缸蓋鼻梁區(qū)說，可只選擇壓-壓載荷作為機械加載形式；

(7)根據(jù)關(guān)鍵部位的最大應(yīng)力、幾何形狀、尺寸和表面狀態(tài)，結(jié)合疲勞試驗機最大載荷，制備等比例或比例縮放的測試簡化構(gòu)件以及與其對應(yīng)的夾具工裝，該測試用簡化構(gòu)件能夠反映關(guān)鍵部位的服役工況，對于缸蓋，測試樣品的工作段就是一個完整的鼻梁區(qū)，就是全弧的疲勞樣品；

(8)結(jié)合圖2(b)中載荷譜，為了提高效率，在疲勞試驗機上進行應(yīng)力控制的熱機疲勞實驗，至少測試三個樣品，獲得簡化構(gòu)件的疲勞壽命，并與臺架或?qū)嶋H服役構(gòu)件的壽命對比，建立簡化構(gòu)件和實際構(gòu)件的定量關(guān)系。

實施例2

與實施例1不同之處在于：步驟(8)的具體過程不同，本實施例過程如下：

對計算的載荷譜進一步進行簡化，分為單獨的啟停和高速運行兩種工況，如圖2(c)和圖2(d)，分別按照載荷譜進行應(yīng)變控制的熱機械疲勞(如圖2(c))和高溫高周疲勞實驗(如圖2(c)、圖2(d))，通過miner線性累積方法計算出簡化構(gòu)件的疲勞壽命，并與臺架或?qū)嶋H服役構(gòu)件的壽命對比，建立簡化構(gòu)件和實際構(gòu)件的定量關(guān)系。