一种关键构件分区表征的寿命预测方法技术

本发明专利技术公开了一种关键构件分区表征的寿命预测方法，属于构件疲劳性能测试与表征技术领域。本发明专利技术首先获得构件不同部位的典型组织特征；通过有限元分析关键构件不同工况应力(应变)状态和温度分布，适当简化加载形式，建立构件的服役载荷谱；利用现有或者建立微观组织与力学性能特别是疲劳寿命的关系；根据组织特征把构件分成不同区域并进行网格划分，输入服役工况，利用微观组织与力学性能的关系，进而获得关键构件不同区域的疲劳寿命分布。本发明专利技术解决了复杂环境和复杂结构的大型构件难于性能测试和寿命预测问题，分析测试成本较低、效率高、操作方便，适用于内燃机缸盖、燃气轮机轮盘、轧机轧辊、发电机转子等结构复杂或大型构件。

A life prediction method for key components based on partition characterization

The invention discloses a life prediction method for the key component's partition characterization, which belongs to the technical field of fatigue performance testing and characterization of components. This invention first obtains the typical organizational characteristics of different parts of the component; through the finite element analysis of the stress (strain) state and temperature distribution of the key components of the key components, the loading form of the components is simplified, the service load spectrum of the components is established, and the relationship between the existing or establishing the mechanical properties, especially the fatigue life, is used. The fabric is divided into different regions and mesh, and the service working conditions are entered, and the relationship between microstructure and mechanical properties is used to obtain the fatigue life distribution of the different parts of the key components. The invention solves the problems of difficult performance testing and life prediction for large components of complex and complex structures. It has low cost, high efficiency and convenient operation. It is suitable for complex or large structure components, such as engine cylinder head, gas turbine wheel, rolling mill roll, generator rotor and so on.

【技术实现步骤摘要】
一种关键构件分区表征的寿命预测方法
本专利技术涉及构件疲劳性能测试
，具体涉及一种关键构件分区表征的寿命预测方法。
技术介绍
近些年来，高端装备(例如军用、民用飞机、高速列车、发电机组和大型机械等)不断向大体积、大功率、高效率等方向发展，然而这会导致其动力装备(内燃机、燃气轮机和航空发动机)的可靠性明显降低，成为制约高端装备设计、制造和广泛使用的瓶颈。例如柴油机缸盖是形状和结构最复杂、服役工况最恶劣的关键构件。为了降低单位体积升功率，缸盖结构设计非常紧凑，为了满足不同功能需要，缸盖结构复杂，有冷却水腔、流线型进排气道，不同位置壁厚差很大，从而导致不同部位的组织有所差别。柴油机在启动、停机、加载等运行工况发生急剧变化过程中，缸盖火力面一侧受到高压高温燃气高频率反复冲刷，冷却水腔则温度较低，导致缸盖内部温度梯度和热应力很大；加上气门的冲击导致缸盖要承受很高的热机械循环载荷作用。同时，由于缸盖被紧固在柴油机机体上，受到结构强约束而产生很大的内应力。这些复杂工况使构件产生疲劳失效，造成服役寿命严重不足。目前对于缸盖的疲劳性能测试，一方面可以通过台架实验按照标准规范分别考核缸盖低周和高周热冲击性能，然后通过损伤程度判定安全性，另一方面通过测试材料不同温度的拉伸、低周疲劳、热机疲劳、蠕变和氧化等多种力学性能，利用相应模型预测构件疲劳寿命。但这些方法均存在实验量大、试验成本高和试验周期长、准确性低的问题。因此，找到一种适用复杂工况和复杂结构(大型结构)的简便、快捷、全面的构件疲劳寿命测试方法是目前重要的技术问题。
技术实现思路
针对现有寿命预测方法中不足之处，本专利技术的目的在于提供一种关键构件分区表征的寿命预测方法，该方法通过组织分析、工况分析、方法研究和有限元分析等全面、综合研究可以实现，操作性强、准确性高，适用于内燃机、航空发动机和冶金机械等复杂工况、复杂结构或大型构件的疲劳寿命预测。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种关键构件分区表征的寿命预测方法，该方法包括如下步骤：(1)通过解剖构件关键位置并对该位置进行组织分析和/或三维扫描的方法，获得该构件不同部位的典型组织特征；(2)通过有限元分析关键构件不同工况(启动、停机、怠速和额定功率行等典型工况)下应力(应变)状态和温度分布，并进行验证和校对；(3)根据步骤(2)的有限元分析结果，简化载荷和温度形式后，建立关键构件的简化服役载荷谱；(4)建立构件微观组织与力学性能关系；(5)利用软件，根据步骤(1)中所得构件典型组织特征把构件分成不同区域并进行不同网格划分；(6)根据步骤(3)建立的简化服役载荷谱，并利用步骤(4)中建立的微观组织与力学性能关系，通过有限元软件获得关键构件在不同区域的疲劳寿命分布情况。上述步骤(1)中，用于分析的构件称为关键构件；所述关键位置是指构件中易于失效的位置，可根据查阅资料或失效分析结果进行选择；所述典型组织特征包括晶粒尺寸、铸造缺陷尺寸和/或析出相尺寸。上述步骤(2)中，所述验证和校对过程中应选择典型应变和温度值进行校对。上述步骤(3)中，所述简化温度和加载形式包括等温拉-拉疲劳、等温拉-压疲劳、热疲劳、热机疲劳、三点弯曲和四点弯曲加载中的一种或几种。上述步骤(4)中，所述建立微观组织与疲劳寿命关系是指建立构件不同部位的典型组织特征和疲劳寿命的关系，建立的过程中：可利用现有文献中已经建立的关系；也可根据该构件的组织特征和服役工况，制备相应材料并设计试验，建立相应组织和力学性能关系上述步骤(4)中，所述建立微观组织与疲劳寿命关系包括建立微观组织与疲劳寿命的定量关系。上述步骤(5)中，对构件进行网格划分的过程为：利用软件，考虑典型组织特征，把构件分成不同区域，并进行不同网格疏密划分。上述步骤(6)中，所述关键构件在不同区域的疲劳寿命分布情况是指关键构件在步骤(5)中划分的区域(网格)上的疲劳寿命分布情况。本专利技术设计原理及有益效果如下：本专利技术通过解剖分析或三维扫描等方法，结合失效分析结果，获得构件不同典型部位的组织特征；通过有限元分析关键构件不同工况应力(应变)状态和温度分布，适当简化加载形式，建立服役构件的简化载荷谱；确立微观组织与力学性能，特别是疲劳寿命的定量关系，利用现有关系或者结合组织特征和服役工况，制备相关材料和设计试验，建立对应典型组织特征和力学性能关系；利用有限元分析软件，根据组织特征把构件分成不同区域并进行不同网格划分，输入服役工况，利用微观组织特征与力学性能的关系，进而获得关键构件不同区域的疲劳寿命分布。本专利技术解决了复杂环境和复杂结构的大型构件难于性能测试和寿命预测问题，测试成本较低、全面、简便、快捷，适用于内燃机缸盖、燃气轮机轮盘、轧机轧辊、发电机转子等结构复杂或大型构件，为我国高端装备关键构件服役(剩余)寿命预测、运行状态评估方案制定提供数据、方法和技术支持。附图说明图1为柴油机缸盖结构图；其中：(a)实体图；(b)水腔模型图(图片引自北京理工大学学报2011,31:277)。图2为实施例1中柴油机火力面在启停、怠速和运行工况应力(应变)示意图(火力面热载荷与机械载荷变化)。图3为实施例1建立的构件简化服役载荷谱(A位置的热机疲劳)。具体实施方式为了进一步理解本专利技术，以下结合实施例对本专利技术进行描述，但实施例仅为对本专利技术的特点和优点做进一步阐述，而不是对本专利技术权利要求的限制。实施例1采用本专利技术方法，通过组织分析、工况分析、方法研究和有限元分析等全面、综合分析研究，对柴油机缸盖关键构件的疲劳寿命进行表征。柴油机缸盖是形状和结构最复杂、服役工况最恶劣的关键构件。缸盖结构紧凑、复杂，内部有复杂的冷却水腔、流线型进排气道，不同位置壁厚差很大，从而导致不同部位的组织有所差别。柴油机在启动、停机、加载等运行工况发生急剧变化过程中，缸盖火力面一侧受到高压高温燃气高频率反复冲刷，冷却水腔则温度较低，导致缸盖内部温度梯度和热应力很大；加上气门的冲击导致缸盖要承受很高的热机械循环载荷作用。同时，由于缸盖被紧固在柴油机机体上，受到结构强约束而产生很大的内应力。这些复杂工况使构件有的部位产生疲劳失效，造成服役寿命严重不足。铝合金缸盖构件的可能失效于火力面的鼻梁区(如图1(a)所示的圆圈处)和水腔靠近底板的过渡位置(如图1(b)所示的圆圈处)等，具体测试过程如下：(1)查阅资料或失效分析结果，发现鼻梁区(排气-排气孔之间或进气-排气孔，如图1(a)所示，简称关键位置A)和水道底部过渡弧(如图1(b)所示，简称关键位置B)两个位置比较容易开裂，通过解剖两个典型位置，用光学显微镜、扫描电镜或X射线三维成像系统等方法，获得构件关键部位的典型组织特征(A位置：基体组织和析出相分布，B位置：基体组织和铸造缺陷分布)；(2)通过有限元计算不同工况(启动、停机、怠速和额定功率行等典型工况)应力(应变)状态和温度分布，火力面热载荷与机械载荷变化如图2，选择典型位置测试实际的应变和温度变化和分布情况，并根据实际测试结果对有限元分析结果进行验证和校对，尽量选择应变和温度的最大和最小值等边界值(图2(a)中的圆点处)进行校对；(3)将校对后的有限元分析的应力(应变)和温度随工况的变化规律进行分析，适当考虑测试设备的特性，进行适当简化，建立构件的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种关键构件分区表征的寿命预测方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：(1)通过解剖构件关键位置进行组织分析和/或三维扫描的方法，获得该构件不同部位的典型组织特征；(2)通过有限元分析关键构件不同工况下应力(应变)状态和温度分布，并进行验证和校对；(3)根据步骤(2)的有限元分析结果，简化载荷和温度形式后，建立关键构件的简化服役载荷谱；(4)建立构件微观组织与力学性能关系；(5)利用软件，根据步骤(1)中所得构件典型组织特征把构件分成不同区域并进行不同网格划分；(6)根据步骤(3)建立的简化服役载荷谱，并利用步骤(4)中建立的微观组织与力学性能关系，通过有限元软件获得关键构件在不同区域的疲劳寿命分布情况。

【技术特征摘要】
1.一种关键构件分区表征的寿命预测方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：(1)通过解剖构件关键位置进行组织分析和/或三维扫描的方法，获得该构件不同部位的典型组织特征；(2)通过有限元分析关键构件不同工况下应力(应变)状态和温度分布，并进行验证和校对；(3)根据步骤(2)的有限元分析结果，简化载荷和温度形式后，建立关键构件的简化服役载荷谱；(4)建立构件微观组织与力学性能关系；(5)利用软件，根据步骤(1)中所得构件典型组织特征把构件分成不同区域并进行不同网格划分；(6)根据步骤(3)建立的简化服役载荷谱，并利用步骤(4)中建立的微观组织与力学性能关系，通过有限元软件获得关键构件在不同区域的疲劳寿命分布情况。2.根据权利要求1所述的关键构件分区表征的寿命预测方法，其特征在于：步骤(1)中，用于分析的构件称为关键构件；所述关键位置是指构件中易于失效的位置，可根据查阅资料或失效分析结果进行选择；所述典型组织特征包括晶粒尺寸、铸造缺陷尺寸和/或析出相尺寸。3.根据权利要求1所述的关键构件分区表征的寿命预测方法，其特征在于：步骤(2)中，所述验证和校对过程中应选择典型应变和温度值进行校对。4.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：庞建超，张哲峰，潘龙，李守新，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21