[發明專利]一種基于不同約束條件下的金屬構件熱機械疲勞壽命預測方法

有效

• 申請號: 202010141888.6
• 申請日: 2020-03-04
• 公開（公告）號: CN111400876B
• 公開（公告）日: 2023-10-20
• 發明（設計）人: 龐建超;王猛;李守新;張哲峰
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F119/08;G06F119/04;G01M13/00
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 于曉波

本發明公開了一種基于不同約束條件下的金屬構件熱機械疲勞壽命預測方法，屬于材料科學與工程應用技術領域。該方法首先根據服役工況，獲得服役構件所面臨的載荷條件，設計并進行金屬材料在約束狀態下的熱機械疲勞試驗，確定熱機械疲勞循環滯回能與約束系數的關系，建立滯回能模型并獲得相關參數。根據滯回能累積損傷模型，建立了不同約束條件下熱機械疲勞壽命預測的方法，進而可以推導出在實際服役工況下構件的服役時間。該方法可以通過約束熱機械疲勞加速測試，即可實現材料熱機械疲勞壽命的準確預測，同時也可用于構件在實際服役條件下的性能評估。

技術領域

本發明涉及金屬材料的構件服役載荷譜和熱機械疲勞性能試驗技術領域，具體涉及一種基于不同約束條件下的金屬構件熱機械疲勞壽命預測方法。

背景技術

在航空航天、能源動力等諸多領域中，許多熱端部件(內燃機活塞、燃氣輪機葉片和渦輪盤等)長期在高溫條件和循環載荷下運行，該循環載荷包含三種載荷形式，即：裝配載荷、機器載荷和熱載荷。根據失效分析，其最主要失效形式為熱載與機械載荷共同往復作用而形成的熱機械疲勞損傷。由于熱載荷與機械載荷交互耦合作用對材料疲勞的影響，使得循環失效周次往往不足10⁵。如不能進行合理的熱機械疲勞壽命預測，會極大程度增加構件服役成本，降低構件服役安全性，并產生難以挽回的損失。

由于熱機疲勞損傷的復雜性，熱機械疲勞壽命已經困擾了科研工作者近半個世紀。從最初的20世紀50年代以來，國內外學者對材料熱機械相關的疲勞損傷行為進行了大量的研究工作。首先是Manson-Coffin方程，并在此基礎上開始考慮頻率和塑性應變對疲勞的影響，包括SRP法、頻率修正法等，但相應的模型需要大量的實驗參數并缺乏物理意義；另一種則是基于線性累計損傷為基礎的延性耗竭和時間分數等模型，這類方法通過揭示熱機械疲勞過程中物理損傷行為建立物理模型，包括Neu-Sehitoglu模型、Miller模型和J積分模型。這類方法雖然公式的理論推導比較嚴謹，但由于沒有考慮構件實際所面臨的服役狀態和最主要的影響因素，使得在壽命預測過程中常出現非保守或過于保守的結果出現，同時該方法對不同構件的疲勞壽命缺乏適用性。因此，針對金屬構件熱機械疲勞失效問題，急需一種相對簡單、準確的疲勞壽命預測方法。

發明內容

為了克服現有熱機械疲勞壽命預測方法存在的上述問題，本發明的目的在于提供一種基于不同約束條件下的金屬構件熱機械疲勞壽命預測方法，該方法考慮高溫構件運行中的約束行為，通過不同約束下的加速試驗，利用能量模型，提供了一種簡便的構件壽命預測模型。利用載荷譜數據、能量模型參數和少量熱機械疲勞實驗數據，考慮最危險狀態時的約束條件，用以實現構件熱機械疲勞壽命的準確預測。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：

一種基于不同約束條件下的金屬構件熱機械疲勞壽命預測方法，該方法基于構件服役載荷譜，確立了約束下熱機械疲勞失效形式。通過對材料約束條件下的加速熱機械疲勞試驗，在傳統的能量模型基礎上，建立不同約束條件下簡便的壽命預測模型。并實現了從材料到構件的服役疲勞壽命預測。該方法包括如下步驟：

(1)分析服役構件的實際服役工況，建立構件服役載荷譜；載荷譜中包括構件服役溫度T、機械應變Δε_m、熱應變Δε_th和約束系數η隨時間變化關系圖；所述約束系數η＝Δε_m/Δε_th；

(2)獲取能夠合理反映材料服役行為的熱機械疲勞試驗條件，確定試驗中的疲勞載荷范圍，包括服役溫度范圍、機械應變范圍、熱應變范圍以及約束系數，其中疲勞載荷具備的特征為：機械載荷隨時間周期性變化，溫度隨時間周期性變化，同時約束系數保持恒定；