[發(fā)明專利]一種關(guān)鍵構(gòu)件分區(qū)表征的壽命預(yù)測方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711187169.2
• 申請日: 2017-11-24
• 公開（公告）號: CN107958114B
• 公開（公告）日: 2021-12-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 龐建超;張哲峰;潘龍;李守新
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院金屬研究所
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/17;G06F119/14
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標(biāo)代理有限公司 21002
• 代理人: 許宗富;周秀梅

本發(fā)明公開了一種關(guān)鍵構(gòu)件分區(qū)表征的壽命預(yù)測方法，屬于構(gòu)件疲勞性能測試與表征技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明首先獲得構(gòu)件不同部位的典型組織特征；通過有限元分析關(guān)鍵構(gòu)件不同工況應(yīng)力(應(yīng)變)狀態(tài)和溫度分布，適當(dāng)簡化加載形式，建立構(gòu)件的服役載荷譜；利用現(xiàn)有或者建立微觀組織與力學(xué)性能特別是疲勞壽命的關(guān)系；根據(jù)組織特征把構(gòu)件分成不同區(qū)域并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，輸入服役工況，利用微觀組織與力學(xué)性能的關(guān)系，進(jìn)而獲得關(guān)鍵構(gòu)件不同區(qū)域的疲勞壽命分布。本發(fā)明解決了復(fù)雜環(huán)境和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的大型構(gòu)件難于性能測試和壽命預(yù)測問題，分析測試成本較低、效率高、操作方便，適用于內(nèi)燃機(jī)缸蓋、燃?xì)廨啓C(jī)輪盤、軋機(jī)軋輥、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子等結(jié)構(gòu)復(fù)雜或大型構(gòu)件。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及構(gòu)件疲勞性能測試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種關(guān)鍵構(gòu)件分區(qū)表征的壽命預(yù)測方法。

背景技術(shù)

近些年來，高端裝備(例如軍用、民用飛機(jī)、高速列車、發(fā)電機(jī)組和大型機(jī)械等)不斷向大體積、大功率、高效率等方向發(fā)展，然而這會導(dǎo)致其動力裝備(內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和航空發(fā)動機(jī))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。例如柴油機(jī)缸蓋是形狀和結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、服役工況最惡劣的關(guān)鍵構(gòu)件。為了降低單位體積升功率，缸蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計非常緊湊，為了滿足不同功能需要，缸蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有冷卻水腔、流線型進(jìn)排氣道，不同位置壁厚差很大，從而導(dǎo)致不同部位的組織有所差別。柴油機(jī)在啟動、停機(jī)、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?xì)飧哳l率反復(fù)沖刷，冷卻水腔則溫度較低，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(jī)械循環(huán)載荷作用。同時，由于缸蓋被緊固在柴油機(jī)機(jī)體上，受到結(jié)構(gòu)強(qiáng)約束而產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力。這些復(fù)雜工況使構(gòu)件產(chǎn)生疲勞失效，造成服役壽命嚴(yán)重不足。

目前對于缸蓋的疲勞性能測試，一方面可以通過臺架實驗按照標(biāo)準(zhǔn)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，另一方面通過測試材料不同溫度的拉伸、低周疲勞、熱機(jī)疲勞、蠕變和氧化等多種力學(xué)性能，利用相應(yīng)模型預(yù)測構(gòu)件疲勞壽命。但這些方法均存在實驗量大、試驗成本高和試驗周期長、準(zhǔn)確性低的問題。因此，找到一種適用復(fù)雜工況和復(fù)雜結(jié)構(gòu)(大型結(jié)構(gòu))的簡便、快捷、全面的構(gòu)件疲勞壽命測試方法是目前重要的技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有壽命預(yù)測方法中不足之處，本發(fā)明的目的在于提供一種關(guān)鍵構(gòu)件分區(qū)表征的壽命預(yù)測方法，該方法通過組織分析、工況分析、方法研究和有限元分析等全面、綜合研究可以實現(xiàn)，操作性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高，適用于內(nèi)燃機(jī)、航空發(fā)動機(jī)和冶金機(jī)械等復(fù)雜工況、復(fù)雜結(jié)構(gòu)或大型構(gòu)件的疲勞壽命預(yù)測。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

一種關(guān)鍵構(gòu)件分區(qū)表征的壽命預(yù)測方法，該方法包括如下步驟：

(1)通過解剖構(gòu)件關(guān)鍵位置并對該位置進(jìn)行組織分析和/或三維掃描的方法，獲得該構(gòu)件不同部位的典型組織特征；

(2)通過有限元分析關(guān)鍵構(gòu)件不同工況(啟動、停機(jī)、怠速和額定功率行等典型工況)下應(yīng)力(應(yīng)變)狀態(tài)和溫度分布，并進(jìn)行驗證和校對；

(3)根據(jù)步驟(2)的有限元分析結(jié)果，簡化載荷和溫度形式后，建立關(guān)鍵構(gòu)件的簡化服役載荷譜；

(4)建立構(gòu)件微觀組織與力學(xué)性能關(guān)系；

(5)利用軟件，根據(jù)步驟(1)中所得構(gòu)件典型組織特征把構(gòu)件分成不同區(qū)域并進(jìn)行不同網(wǎng)格劃分；

(6)根據(jù)步驟(3)建立的簡化服役載荷譜，并利用步驟(4)中建立的微觀組織與力學(xué)性能關(guān)系，通過有限元軟件獲得關(guān)鍵構(gòu)件在不同區(qū)域的疲勞壽命分布情況。

上述步驟(1)中，用于分析的構(gòu)件稱為關(guān)鍵構(gòu)件；所述關(guān)鍵位置是指構(gòu)件中易于失效的位置，可根據(jù)查閱資料或失效分析結(jié)果進(jìn)行選擇；所述典型組織特征包括晶粒尺寸、鑄造缺陷尺寸和/或析出相尺寸。

上述步驟(2)中，所述驗證和校對過程中應(yīng)選擇典型應(yīng)變和溫度值進(jìn)行校對。