基于累积损伤-损伤阈值干涉的可靠性评价方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种基于累积损伤

【技术实现步骤摘要】
基于累积损伤
‑
损伤阈值干涉的可靠性评价方法及系统


[0001]本专利技术涉及低周疲劳和蠕变
‑
疲劳可靠性评估领域，更具体地涉及一种基于累积损伤
‑
损伤阈值干涉理论的损伤分级与可靠性评价方法及系统，尤其是鉴别高温环境下使用的部件材料损伤级别以及高可靠性的剩余安全寿命，适用于高温结构完整性评价与维护。

技术介绍

[0002]随着双碳目标的实施，像燃气轮机、航空发动机和核反应堆容器等关键部件暴露在极其恶劣的服役环境下，部件材料长期可靠运行和维护成为限制上述关键部件发展的主要瓶颈之一。启停期间的低周疲劳和稳定运行期间的蠕变
‑
疲劳交互作用是限制部件寿命和可靠性的关键因素。此外，部件材料力学性能随着服役时间的延长会逐渐的退化。然而，在概率性疲劳和蠕变
‑
疲劳分析中没有考虑机械性能退化带来的影响和不确定性。因此，目前基于初始力学性能的设计准则可能会给部件的损伤评估和可靠性评估带来非保守的风险。
[0003]在可靠性分析中，常用的干涉理论通常分为三类：应力
‑
强度干涉(SSI)、载荷
‑
寿命干涉(LLI)和累积损伤
‑
损伤阈值干涉(CDDTI)。一些研究将循环过程中强度下降模型引入SSI理论进行可靠性评价，但这不适用于强度增加的循环硬化材料。疲劳寿命是LLI的基本变量，它通常是通过P
‑
S
‑
N曲线或者疲劳寿命预测模型获得。疲劳寿命模型比Pr/>‑
S
‑
N曲线更快捷，但其精度取决于模型的选择。主流的寿命预测模型通过使用疲劳和蠕变损伤参数来预测寿命，这在根本上等同于CDDTI理论。CDDTI理论可以很好地解决损伤评价和可靠性评估中的多级载荷、多损伤交互和力学性能退化等问题，丰富了工程损伤力学的内涵。因此，基于CDDTI干涉理论，本专利技术提出一种考虑材料力学性能退化的损伤分级与可靠性评价方法及系统，建立了三维蠕变
‑
疲劳可靠性分级评价图，这对工程应用具有重要的价值。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种基于累积损伤
‑
损伤阈值干涉的可靠性评价方法及系统，将材料力学性能劣化程度进行量化关联到可靠性分级评定中，并建立了三维蠕变
‑
疲劳可靠性分级评价图，能够更准确地对在役部件的蠕变
‑
疲劳可靠性和剩余安全寿命进行评定，完善了现有的高温结构完整性评价体系，具有重要的工程应用价值。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0006]本专利技术提供一种基于累积损伤
‑
损伤阈值干涉的可靠性评价方法，所述方法包括：
[0007]对目标材料进行多组试验，基于所述目标材料对应的蠕变
‑
疲劳损伤模型计算蠕变损伤和疲劳损伤，基于拉伸塑性应变能密度计算力学性能退化参量；根据所述蠕变损伤、所述疲劳损伤和所述力学性能退化参量建立考虑力学性能退化的蠕变
‑
疲劳损伤累积准则；所述试验包括中断蠕变
‑
疲劳试验和中断后拉伸试验；
[0008]构建所述目标材料的有限元模型，并结合蠕变
‑
疲劳载荷下的多源不确定性因素
确定所述目标材料的弱点区域的概率损伤分布；
[0009]基于所述力学性能退化参量和中断寿命分数构成的试验数据集量化力学性能退化幂指数的分散性，并基于所述分散性获得不同损伤级别下概率损伤阈值分布；所述考虑力学性能退化的蠕变
‑
疲劳损伤累积准则的表达式中包括概率损伤分布部分和概率损伤阈值分布部分；
[0010]基于所述概率损伤分布和所述概率损伤阈值分布对概率损伤和概率损伤阈值进行随机抽样，并基于抽样的概率损伤和抽样的概率损失阈值应用累积损伤
‑
损伤阈值干涉理论计算所述目标材料的失效概率；所述目标材料的可靠性用所述失效概率表示；
[0011]根据所述失效概率、所述力学性能退化参量和所述目标材料对应的剩余安全寿命绘制随力学性能退化的三维蠕变
‑
疲劳可靠性分级评价图；
[0012]依据所述三维蠕变
‑
疲劳可靠性分级评价图和待评价材料的所述力学性能退化参量以及所述待评价材料的预设失效概率确定所述待评价材料的剩余安全寿命；并依据所述力学性能退化参量和预先界定的力学性能退化参量与损伤级别的关系确定所述待评价材料的损伤级别。
[0013]可选的，所述考虑力学性能退化的蠕变
‑
疲劳损伤累积准则的表达式为：
[0014][0015]其中，
[0016]式中，D
c
为蠕变损伤；D
f
为疲劳损伤；D
m
为力学性能退化参量；U
T(0)
为未损伤材料的拉伸塑性应变能，U
T(N)
为第N周次材料的拉伸塑性应变能；n为损伤幂指数，由蠕变损伤D
c
和疲劳损伤D
f
构成的试验数据集确定的损伤包络线得到；m为力学性能退化幂指数，由力学性能退化参量D
m
与中断寿命分数的演化规律确定的退化包络线得到；对应概率损伤分布部分；1
‑
(D
m
)
m
对应概率损伤阈值分布部分。
[0017]可选的，构建所述目标材料的有限元模型，并结合蠕变
‑
疲劳载荷下的多源不确定性因素确定所述目标材料的弱点区域的概率损伤分布，具体包括：
[0018]建立所述目标材料的有限元模型，并在所述有限元模型中嵌入所述目标材料的蠕变
‑
疲劳本构模型，得到第一嵌入有限元模型；
[0019]基于所述第一嵌入有限元模型结合所述目标材料的应力
‑
应变场确定所述弱点区域；
[0020]在所述第一嵌入有限元模型中嵌入所述蠕变
‑
疲劳损伤模型，得到第二嵌入有限元模型；
[0021]将所述多源不确定性因素输入至所述第二嵌入有限元模型，得到有限元响应输出的稳态周次的蠕变损伤和疲劳损伤；
[0022]基于有限元响应输出的稳态周次的蠕变损伤和疲劳损伤应用概率论方法统计所述弱点区域的概率损伤分布。
[0023]可选的，基于所述力学性能退化参量和中断寿命分数构成的试验数据集量化力学性能退化幂指数的分散性，并基于所述分散性获得不同损伤级别下概率损伤阈值分布，具
体包括：
[0024]基于所述力学性能退化参量和中断寿命分数构成的试验数据集量化所述力学性能退化幂指数的分散性；
[0025]基于所述分散性确定不同损伤级别下概率损伤阈值标准正态分布的第一均值和第一标准差；
[0026]根据损伤阈值大于0的特征，将所述概率损伤阈值标准正态分布转换为截尾正态分布，并根据所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于累积损伤
‑
损伤阈值干涉的可靠性评价方法，其特征在于，所述方法包括：对目标材料进行多组试验，基于所述目标材料对应的蠕变
‑
疲劳损伤模型计算蠕变损伤和疲劳损伤，基于拉伸塑性应变能密度计算力学性能退化参量；根据所述蠕变损伤、所述疲劳损伤和所述力学性能退化参量建立考虑力学性能退化的蠕变
‑
疲劳损伤累积准则；所述试验包括中断蠕变
‑
疲劳试验和中断后拉伸试验；构建所述目标材料的有限元模型，并结合蠕变
‑
疲劳载荷下的多源不确定性因素确定所述目标材料的弱点区域的概率损伤分布；基于所述力学性能退化参量和中断寿命分数构成的试验数据集量化力学性能退化幂指数的分散性，并基于所述分散性获得不同损伤级别下概率损伤阈值分布；所述考虑力学性能退化的蠕变
‑
疲劳损伤累积准则的表达式中包括概率损伤分布部分和概率损伤阈值分布部分；基于所述概率损伤分布和所述概率损伤阈值分布对概率损伤和概率损伤阈值进行随机抽样，并基于抽样的概率损伤和抽样的概率损失阈值应用累积损伤
‑
损伤阈值干涉理论计算所述目标材料的失效概率；所述目标材料的可靠性用所述失效概率表示；根据所述失效概率、所述力学性能退化参量和所述目标材料对应的剩余安全寿命绘制随力学性能退化的三维蠕变
‑
疲劳可靠性分级评价图；依据所述三维蠕变
‑
疲劳可靠性分级评价图和待评价材料的所述力学性能退化参量以及所述待评价材料的预设失效概率确定所述待评价材料的剩余安全寿命；并依据所述力学性能退化参量和预先界定的力学性能退化参量与损伤级别的关系确定所述待评价材料的损伤级别。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述考虑力学性能退化的蠕变
‑
疲劳损伤累积准则的表达式为：其中，式中，D
c
为蠕变损伤；D
f
为疲劳损伤；D
m
为力学性能退化参量；U
T(0)
为未损伤材料的拉伸塑性应变能，U
T(N)
为第N周次材料的拉伸塑性应变能；n为损伤幂指数，由蠕变损伤D
c
和疲劳损伤D
f
构成的试验数据集确定的损伤包络线得到；m为力学性能退化幂指数，由力学性能退化参量D
m
与中断寿命分数的演化规律确定的退化包络线得到；对应概率损伤分布部分；1
‑
(D
m
)
m
对应概率损伤阈值分布部分。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，构建所述目标材料的有限元模型，并结合蠕变
‑
疲劳载荷下的多源不确定性因素确定所述目标材料的弱点区域的概率损伤分布，具体包括：建立所述目标材料的有限元模型，并在所述有限元模型中嵌入所述目标材料的蠕变
‑
疲劳本构模型，得到第一嵌入有限元模型；基于所述第一嵌入有限元模型结合所述目标材料的应力
‑
应变场确定所述弱点区域；在所述第一嵌入有限元模型中嵌入所述蠕变
‑
疲劳损伤模型，得到第二嵌入有限元模
型；将所述多源不确定性因素输入至所述第二嵌入有限元模型，得到有限元响应输出的稳态周次的蠕变损伤和疲劳损伤；基于有限元响应输出的稳态周次的蠕变损伤和疲劳损伤应用概率论方法统计所述弱点区域的概率损伤分布。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述力学性能退化参量和中断寿命分数构成的试验数据集量化力学性能退化幂指数的分散性，并基于所述分散性获得不同损伤级别下概率损伤阈值分布，具体包括：基于所述力学性能退化参量和中断寿命分数构成的试验数据集量化所述力学性能退化幂指数的分散性；基于所述分散性确定不同损伤级别下概率损伤阈值标准正态分布的第一均值和第一标准差；根据损伤阈值大于0的特征，将所述概率损伤阈值标准正态分布转换为截尾正态分布，并根据所述第一均值和所述第一标准差确定所述截尾正态分布的第二均值和第二标准差；基于所述第一均值和所述第一标准差确定所述截尾正态分布的概率密度函数；所述概率损伤阈值分布由所述第二均值和所述第二标准差以及所述概率密度函数确定。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第二均值的表达式为：所述第二标准差的表达式为：所述概率密度函数的表达式为：式中，D
crit
为损伤阈值，D
crit
＝1
‑
(D
m
)
m
；φ(
·
)和Φ(
·
)为标准正态分布的概率密度函数和累积分布函数；μ(D
m
)为第一均值；σ(D
m
)为第一标准...

【专利技术属性】
技术研发人员：张显程，孙莉，王润梓，谷行行，涂善东，赵宇辰，王志申，
申请(专利权)人：中国联合重型燃气轮机技术有限公司，
类型：发明
国别省市：