用于对在运行期间被周期性加载的组件的运行方法技术

本发明专利技术涉及一种用于对在运行中被周期性加载的组件的运行方法，该组件具有预定几何轮廓Ω，其中在考虑由材料特性的偏差引起的失效时间变异情况下，确定用于组件的失效概率P，该组件根据所确定的失效概率P来运行，其中，尤其是根据所确定的失效概率P，确定用于组件的至少一个维护时间点，其中，在额外地考虑由组件形状与标准几何轮廓的偏差引起的失效时间变异的情况下，确定失效概率P，其中为了考虑与标准几何轮廓的形状偏差，尤其使用通过如下途径获得的数据：在测量技术上确定预定数量的组件的几何轮廓，其中，根据公式(I)确定该失效概率P。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于对在运行期间被周期性加载的组件的运行方法
本专利技术涉及一种用于对在运行期间被周期性加载的组件的运行方法，该组件具有预定几何轮廓Ω，其中-在考虑由材料特性的偏差引起的失效时间变异的情况下，确定组件的失效概率P-组件根据确定的失效概率P来运行，其中，尤其是根据确定的失效概率P，确定用于组件的至少一个维护时间点。
技术介绍
在运行期间经受周期性热机械负荷的机械部件能否安全运行，在各个领域都非常重要。作为这种部件的示例，可以提及燃气轮机转轮和叶片、转子部件等，它们既可用于飞行运行领域，也可用于燃气发电厂的运行领域。在此，特别关注的是：组件能在哪些时间段上安全运行、或者在哪个时间点可能发生组件失效。然而已经发现，机械部件的失效时间很难被预测，并且由关于第一失效时间点的显著变异所决定。但是，在运行中，必须保持低失效概率(英语：probabilityoffailure，PoF)，以限制经济和功能方面的安全风险，例如通过用于燃气轮机安全的ISO21789标准、或用于飞行运行领域的FAA(联邦航空管理局)法规来限制。如果组件在运行期间经受周期性的热和机械负荷，则这导致所使用材料的疲劳，并因此导致形成裂缝，由此在许多情况下限制了组件的使用寿命。这里特别重要的是，组件的所谓短周期疲劳强度(英语：lowcyclefatigue，LCF，低周疲劳)。组件的设计大多以物质曲线为基础，物质曲线例如可以通过在标准化样品上的材料测试获得。在此，组件失效的确定性解决思路具有主导作用。到目前为止，故障概率、特别是裂缝概率在大多数情况下并不被计算。相反，仅通过在允许的组件寿命中进行固定扣减来考虑总安全系数，而不进行定量计算。然而，由此也导致这样的缺点，即在远未达到组件实际使用寿命之前，就对其部分地进行不必要的更换或维护，这降低了包括这些组件的机器或设施的成本效益。这种粗略猜测方法的另一个问题是，组件由于特定的特性会在以这种方式预测的失效时间点之前失效，这引起停机时间并在经济方面存在相关的显著劣势。因此，在现有技术中致力于寻求更准确地预测组件失效的可能性。在H.Gottschalk和S.Schmitz的文章“Optimalreliabilityindesignforfatiguelife(疲劳寿命设计中的最佳可靠性)”，预印本(2012)，arXiv：1210.4954以及S.Schmitz，G.Rollmann和H.Gottschalk的文章“RiskestimationforLCFcrackinitiation(LCF裂缝形成风险评估)”，预印本(2012)，arXiv：1302.2902还有EP2835706A1中，均描述了由于组件的材料特性导致的失效时间变异。在此，重要的材料特性例如是局部存在的E模量和晶粒尺寸，此外，材料特性取决于个别的铸造和制造过程。在此，对于给定数量n的负荷周期，相对于短期疲劳强度(LCF)的失效概率由公式确定，其中，在此，Ω表示三维空间中的材料填充区域，是边界面，dA是曲面积分，m是Weibul1形状参数。此外，X是Ω的有限元模型的所有节点的坐标矢量。Ndet(u)是一个缩放变量，其取决于位移场的有限元解u的局部应力张量场。上述表达式可以在使用应力张量场的有限元分析(FEA)解决方案和特殊的FEA后处理器的情况下以数字方式计算，如由上述两篇文章所知。该方式原则上已经得到证明。特别是，由于并不是仅估测粗略的总数，而是确定失效概率，因此，相对于先前已知的方式，可以以更高的安全性和效率来运行。但是，仍存在进一步改进该方法的需求。
技术实现思路
因此，由现有技术出发，本专利技术的目的是进一步发展所述类型的方法，以使组件或者包括组件的设施或者机器能以相对于现有技术更高的安全性和更高的经济性来运行。该目的通过开头所述类型的方法由此实现，即-在额外地考虑由组件形状与标准几何轮廓的偏差引起的失效时间变异的情况下，确定失效概率P，其中，为了考虑与标准几何轮廓的形状偏差，使用通过如下途径获得的数据：在测量技术上确定预定数量的代表性组件的几何轮廓，失效概率P根据以下公式确定其中：X是组件的几何轮廓Ω的有限元模型的所有节点的坐标矢量；J(X)＝J(X，U(X))是用于LCF(LowCycleFatigue低周疲劳)或另一种失效机制的离散目标函数；t是加载周期的数量，m是Weibull分布的形状参数；Φ(t)是误差函数、即标准正态分布的分布函数；以及J＝J(Xd)，其中Xd是标准几何轮廓中节点的标准位置；并且其中是平均过程偏差；以及σ2＝(dJ/dX)′C(dJ/dX)，其中C是制程变异。换句话说，本专利技术基于以下认识，即，除了在给定组件的不同样本的材料特性方面的变异之外，实际组件几何轮廓与预定的额定或标准几何轮廓的偏差也对失效时间变异具有相当大的影响。这种几何轮廓偏差总是存在，这是因为每个制造过程都会被某些制造公差影响。在通过铸造制造组件时，例如，制造完成的组件总是在一定程度上不同于额定或标准几何轮廓，该额定或标准几何轮廓例如以CAD数据集的形式用作制造过程的模板。偏差的大小可以取决于大量参数，并且特别地在各制造商之间是不同的。根据本专利技术，对失效概率进行综合评估，其中，组合地考虑由材料特性和制造公差引起的失效时间变异。因此，可以特别准确地确定失效概率，并且可以确保例如包括相关组件的机器或设施特别安全和经济地运行。失效概率P被理解为裂缝形成概率(英语：CrackInitiationProbability)。特别地，基于计算的风险值，燃气轮机以及在运行期间经受周期性的热机械负荷的其他机械部件可以安全运行。此外，可以基于可接受的风险标准，以特别可靠的方式确定这些组件或包括这些组件的设施或机器的维修间隔。组件失效的错误判断被可靠地避免。此外，可以基于失效概率的增长，对燃气轮机和其他机器组件的制造商或供应商进行等级评定，该失效概率的增长由相应的供应商的制造公差引起。这在以前是不可能的，因为供应商的制造公差仅由例如在ISO2768-1中规定的要求确定，但这些要求与失效概率无关。根据本专利技术，现有技术中已知的程序被拓展，根据该程序仅仅在考虑由材料特性引起的变异的情况下确定失效概率。该拓展如下：在用于失效概率的特定公式中，尤其是额外地考虑平均几何轮廓偏差和几何轮廓中的变异。这些变量优选地在用于预定数量的代表性组件的制造过程期间或之后被测量，其中特别是使用可包括白光干涉仪或由白光干涉仪形成的坐标测量机。为了考虑几何轮廓变异而对代表性组件的实际组件几何轮廓进行测量技术上的检测，该检测可以特别地由组件制造商执行，该组件制造商容易获得在相同条件下制造的多个相同部件。例如，可以使用这样的几何轮廓数据，其本来就由制造商在质量控制的范畴中被检测或已经被检测，例如针对被制造的组件的样品。订货人，也就是组件的购买者能够替代地或额外地检测所测量的组件的几何轮廓。然后，例如在进货后，订货人可以执行几何轮廓测量。此外，本来在进货控制的范畴中就要检测的数据也可以作为订货人检测到的数据使用。要测量的代表性组件必须适于提供几何偏差的代表值，也就是说，这些组件应该具有相同的形状并且由相同的制造商以相同的制造过程、例如同样的热处理来制造。应当理解，不但可以仅使用样本、即仅使用制造本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于对在运行中被周期性加载的几何轮廓的组件的运行方法，所述组件具有预定几何轮廓Ω，其中，‑在考虑由多个材料特性的偏差引起的多个失效时间变异的情况下，确定所述组件的失效概率P，‑所述组件根据所确定的失效概率P运行，其中，尤其是根据所述所确定的失效概率P，确定所述组件的至少一个维护时间点，其特征在于，‑在额外地考虑由组件形状与标准几何轮廓的偏差引起的多个失效时间变异的情况下，确定所述失效概率P，其中，为了考虑与所述标准几何轮廓的形状偏差，尤其使用通过如下途径获得的数据：在测量技术上确定预定数量的代表性组件的几何轮廓，其中，所述失效概率P根据以下公式确定

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.11.09 DE 102016221928.61.一种用于对在运行中被周期性加载的几何轮廓的组件的运行方法，所述组件具有预定几何轮廓Ω，其中，-在考虑由多个材料特性的偏差引起的多个失效时间变异的情况下，确定所述组件的失效概率P，-所述组件根据所确定的失效概率P运行，其中，尤其是根据所述所确定的失效概率P，确定所述组件的至少一个维护时间点，其特征在于，-在额外地考虑由组件形状与标准几何轮廓的偏差引起的多个失效时间变异的情况下，确定所述失效概率P，其中，为了考虑与所述标准几何轮廓的形状偏差，尤其使用通过如下途径获得的数据：在测量技术上确定预定数量的代表性组件的几何轮廓，其中，所述失效概率P根据以下公式确定其中：X是所述组件的几何轮廓Ω的有限元模型的所有节点的坐标矢量；J(X)＝J(X，U(X))是用于LCF(LowCycleFatigue低周疲劳)或另一种失效机制的离散目标函数；t是加载周期的数量；m是Weibull分布的形状参数；Φ(t)是误差函数、即标准正态分布的分布函数；以及J＝J(Xd)，其中Xd是标准几何轮廓中所述节点的所述标准位置；并且其中是平均过程偏差；以及σ2＝(dJ/dX)′C(dJ/dX)，其中C是制程变异。2...

【专利技术属性】
技术研发人员：H·戈特沙尔克，M·萨迪，S·施米茨，
申请(专利权)人：西门子股份公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE