本发明专利技术涉及一种用于对配置为遭受周期性应力的部件的疲劳裂纹寿命的概率性估计。根据部件的材料特性离散数据(90a-g)和裂隙尺寸离散数据(90h-j)定义部件的多个表示，其中每个表示通过与部件相关联的一个可能的材料条件和裂隙尺寸条件定义。对于每个个体表示，选择(93)部件位置和基于对在选择的位置中裂纹生长的计算(95)，确定(96)在给定数量的周期N之后所述个体表示是否失效。基于在选择的位置中的材料条件和裂隙尺寸条件，计算(95)裂纹生长。如果裂纹生长被确定为是不稳定的，则确定(96)个体表示的失效。确定(97)在N个周期之后失效的表示的总数。确定(99)在N个周期之后部件的失效概率为PoF(N)＝Nf/S，其中PoF(N)是部件在N个周期之后失效的概率，Nf是被确定为在N个周期之后失效的表示的总数，并且S是表示的总数。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于对遭受周期性应力的部件的疲劳裂纹寿命进行概率性估计 的方法和系统。
技术介绍
在技术系统的多个应用中，部分或部件可能遭受机械的和热的应力，所述应力随 时间交替或改变。在这样的情况中单个的部分通过发生压缩力或拉伸力例如可能遭受直接 的机械应力。另一方面例如对于涡轮机系统中，特别是在燃气轮机中的部分或部件，当燃汽 轮机启动或关闭时，产生该类型的时变热应力。 极端的机械的以及热的周期加载导致材料疲劳，所述材料疲劳在许多情况中限制 部件的寿命。一般地，在周期加载下疲劳裂纹生长（FCG)时常是部件的寿命限制机理。小 的裂纹典型地从内在的裂缝、诸如在锻件中的预先存在裂隙而集结，或通过其他裂纹开始 机理、诸如低周期疲劳（LCF)而开始。在每个周期期间，典型地在引擎的一个启动和关闭或 运行条件的其他改变期间，小的裂纹递增地生长而不影响部件的结构完整性。这称为稳定 裂纹生长。当裂纹尺寸达到临界尺寸时，裂纹生长变得不稳定并且部件发生失效。发生这 时的周期N被称为部件的疲劳裂纹寿命。可以通过线弹性断裂力学（LEFM)与通过有限元 分析（FEA)所估计的部件的合适的瞬态应力场相结合来估计裂纹生长。 在LEFM中，对于估计断裂力学极其重要的材料特性是断裂韧度（Kle (T))和裂纹生 长率（da/dN(K，T，R))，其中da =裂纹尺寸增量，dN =周期增量，AK =表征应力周期的应 力强度因子差，T =温度，R = R-比率。对非线性效应进行考 虑的LEFM的扩展，附加地要求拉伸特性，诸如屈服强度（RP02)、极限屈服强度（RM)，和杨氏 模量。这些扩展的已知例子是失效评定图（FAD)和Irwin塑性区的扩展（IPZE)。 此外，需要已知初始裂隙尺寸以执行LEFM计算。一旦已知这些参数，可以通过利 用例如椭圆形嵌入的或半椭圆形的表面裂纹的板块解逼近裂纹来计算疲劳裂纹寿命N。 测量显示，所有这些材料特性和初始裂隙尺寸由于制造部分的复杂性而具有固有 的离散。此外，材料特性的老化强烈取决于个体部件运行、初始材料微结构和化学组成并且 由此导致在老化的部件的材料特性中的不同离散。由于材料特性和初始裂隙尺寸中的不确 定性，对断裂力学寿命的估计是复杂的。由此，对于许多部件，甚至没有设计疲劳裂纹生长， 或做出极其保守的假设。这可以导致非常保守的设计，其不使用部件的所有潜力。 以下描述疲劳裂纹寿命计算的两种现有技术方法。 第一方法涉及基于最小值/最大值材料特性和裂隙尺寸，计算确定性断裂力学寿 命。该方法落入所谓的安全寿命设计原理并且主要用于基于陆地的重型燃汽轮机和蒸汽轮 机。在该方法中，使用对材料特性和初始裂隙尺寸的保守估计。例如，通过最小曲线来估 计断裂韧度（U，其中大多数测量的数据具有较大的&。值。对于裂纹生长率（da/dN)，估 计最大值曲线，其中大多数测量的数据具有较小的值。裂隙尺寸典型地通过非破坏性检查 (NDE)技术的辨析来估计，所述非破坏性检查技术在部件在引擎中被使用之前或在寿命时 间延伸期间（LTE)被执行。 利用上面描述的"最差情况"假设，可以对于部件的一个位置，通过LEFM，或前面提 到的扩展，诸如FAD和IPZE分析，保守地估计疲劳裂纹寿命N。位置提供对于LEFM分析的 应力/温度输入。按照如下选择该位置，或有时候是多个位置，使得其是限制寿命的位置， 即，具有最大的应力值和幅度。裂纹生长变得不稳定时的周期数量N然后被假定为是部件 的疲劳裂纹寿命。然而有时候，对N或其他地方应用另外的安全因子。 这样的确定性断裂力学计算的缺点是，部件的质量仅基于部件的单个或一些位置 和最小/最大材料特性。根本没有使用关于材料数据和裂隙尺寸散布的信息。此外，由于 输入参数的离散，仍然会有非常低的失效概率（P〇F)，部件对于计算的周期数量N具有所述 失效概率。P〇F不是通过确定性方法确定的，因为其仅使用最小/最大特性/裂隙尺寸估 计。 第二方法涉及基于裂隙尺寸分布和探查间隔的分布进行的概率性断裂力学计算。 这特别地用在航空引擎工业中。为此，已经开发了一种工具DARWIN?(Design Assessment of Reliability With Inspection(可靠性设计评估和探查）），其计算累积的失效概率 (P〇F)与周期N的函数关系。该方法着重于探查间隔、初始裂隙尺寸分布、和不同任务，诸 如启动、爬升、在不同高度巡航、飞行中改变高度、复飞等的混合的影响。该方法不考虑材料 特性变化。然而用户可以加上寿命分布的宽度<N>。寿命分布的该宽度可以通过一系列复 杂测试来估计，所述测试将在不同加载条件下的所有个体材料离散进行组合或将宽度认为 不是重要的并且设置为0。用户然后必须定义在有限元模型（FEM)内的有限数量的空间区 域。在这些区域的每个中定义一个裂纹并且执行有限数量的LEFM疲劳裂纹生长计算，其 表示可能的裂隙尺寸分布。每个区域i由此被分配一个失效概率P〇F(N，i)，然后基于个体 PoF(N, i)的复杂求和计算总PoF(N)。执行的LEFM计算的总数受到限制，因为涉及在计算 上的问题并且执行时间增加。对于低的P〇F，这可以导致在PoF的估计中的误差，因为失效 表面的细节可能没有被正确地辨析。 第二方法的缺点是，其没有考虑个体材料离散并且通过一个代表性裂纹评价每个 区域的风险，即，用户将裂纹放置在每个区域中的一个位置中，其认为所述位置对于整个区 域是表示性的。因此，必须执行区域-细分收敛检查来看结果是否仍取决于区域尺寸。
技术实现思路
本专利技术的目标是，提供改进的技术，用于概率性疲劳裂纹寿命估计，其避免上面提 到的现有技术的至少一些缺点。 上述目标通过独立权利要求的特征实现。其他有利扩展通过从属权利要求提供。 与上面提到的现有技术不同，本专利技术考虑在材料特性以及在裂隙尺寸二者中的离 散。为此，提出的方法合并了所有材料特性分布、裂隙尺寸分布和部件位置，以确定失效概 率PoF (N)，其是对于N个周期的累积的失效风险。在示出的实施例中，使用的失效标准是裂 纹不稳定性。这与裂纹开始的失效标准是不同的。 提到的方法限定了大量样本或部件表示。每个样本是部件的表示，其通过从部件 的材料特性离散数据和裂隙尺寸离散数据获得的、部件的一个可能的材料条件和裂隙尺寸 条件限定。在一个实施例中，提出的方法通过蒙特卡洛方法实现。在示例情况中，这样的表 示的数量将处于百万至万亿的范围中。可以假定，每个个体表示具有相同的发生概率（微 正则系综）。表示的每个条件通过从个体材料特性分布（或离散数据）提取值来配置。在 示出的实施例中，裂隙位置分布被假定为常数，即，部件中的每个体积元具有缺陷的概率相 同。 对于每个个体表示，选择部件位置。然后基于在选择的位置中的裂纹生长的确定 来判断所述个体表示在给定数量周期N之后是否失效。基于选择的位置中的材料条件和裂 隙尺寸条件确定裂纹生长。如果裂纹生长被确定为是不稳定的，则判断个体表示失效。当前第1页1 2 3 4 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于对配置为遭受周期性应力的部件的疲劳裂纹寿命的概率性估计的方法(90)，所述方法(90)包括：‑根据部件的材料特性离散数据(90a‑g)和裂隙尺寸离散数据(90h‑j)定义部件的多个表示，其中每个表示是通过与部件相关联的一个可能的材料条件和裂隙尺寸条件定义的，‑对于每个个体表示，选择(93)部件位置和基于对在选择的位置中裂纹生长的确定(95)，确定(96)在给定数量的周期N之后所述个体表示是否失效，其中，基于在所选择的位置中的材料条件和裂隙尺寸条件确定(95)裂纹生长，其中，如果裂纹生长被确定为是不稳定的，则确定(96)该个体表示的失效，‑确定(97)在N个周期之后失效的表示的总数，并且‑确定(99)部件在N个周期之后失效的概率为PoF(N)＝Nf/S，其中：PoF(N)是部件在N个周期之后失效的概率，Nf是被确定为在N个周期之后失效的表示的总数，并且S是表示的总数。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：C阿曼，PW格拉维特，K卡多，
申请(专利权)人：西门子公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE
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