專利名稱：確定構(gòu)件載荷-壽命曲線及其工作壽命的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及估算構(gòu)件工作壽命的方法，尤其涉及一種利用紅外熱像技術(shù)快 速確定構(gòu)件載荷_壽命曲線，并根據(jù)該曲線估算構(gòu)件工作壽命的方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)確定構(gòu)件載荷-壽命曲線的方法和傳統(tǒng)確定材料應(yīng)力-壽命曲 線的方法相同，在某一級載荷水平測量一個或一組試件的壽命，通過一系列試 驗得到不同載荷水平下的構(gòu)件疲勞壽命，從而繪制載荷-壽命曲線。這種方法 一個試件只能在一級載荷水平上進(jìn)行試驗，每一級載荷都要試驗到試件破壞， 耗時長，需要構(gòu)件數(shù)量多，成本高。實際構(gòu)件的載荷多為P逸片幾載荷，對于承受隨機載荷的構(gòu)件，為獲得其工作 壽命，傳統(tǒng)的做法是在設(shè)計載荷下進(jìn)行驗證性疲勞試驗。目前采用的試驗方法 主要有程序疲勞試驗法和隨機疲勞試驗法。程序疲勞試驗法將實測的載荷-時 間歷程筒化為能反應(yīng)真實情況的具有代表性的典型載荷譜，然后再將編出的程序載荷譜縮小為程序塊并按一定的加載次序進(jìn)行程序疲勞試^r。隨機疲勞試-險 法使用載荷復(fù)現(xiàn)，將現(xiàn)場的使用載荷-時間歷程用磁帶記錄，試驗時將它反輸 到試驗機中。程序疲勞試驗法和隨機疲勞試驗法都只是驗證性的試驗方法，不 能確定構(gòu)件的載荷-壽命曲線， 一種試^r結(jié)果只能應(yīng)用于某一特定工況下的構(gòu) 件，而且，隨機疲勞試驗必須使用昂貴的隨機疲勞試驗機，試驗費用很高。由 此可見，現(xiàn)有技術(shù)中的構(gòu)件疲勞試驗方法存在成本高，試驗數(shù)據(jù)應(yīng)用范圍窄等 缺點。此外，即使采用傳統(tǒng)的構(gòu)件疲勞試驗方法得到構(gòu)件的載荷-壽命曲線，也 不能確定該構(gòu)件在實際工作載荷下的疲勞壽命，因為，構(gòu)件的工作載荷很少是 單一載荷， 一般都是由隨機載荷構(gòu)成。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提出一種利用紅外熱像 技術(shù)快速確定構(gòu)件載荷-壽命曲線，并根據(jù)該曲線估算構(gòu)件工作壽命的方法。近年的疲勞破壞研究發(fā)現(xiàn)，通過觀測構(gòu)件表面溫度變化可以確定裂紋位置。 在材料力學(xué)中，假設(shè)同一構(gòu)件，在某一載荷作用下單周產(chǎn)生的塑性功^是常數(shù)， 構(gòu)件破壞所產(chǎn)生的總塑性功也是常數(shù)。此時，對構(gòu)件逐級施加循環(huán)載荷直到構(gòu) 件破壞與構(gòu)件在同一級載荷作用下破壞產(chǎn)生的塑性功是相等的。即 Z『乂 =C (1) 為c^級應(yīng)力對應(yīng)的循環(huán)周次，y為試件在應(yīng)力a作肝T的疲勞壽命 根據(jù)熱傳導(dǎo)方程/ c^=A:V2r + 2 (2)當(dāng)溫度穩(wěn)定時有 g = ^Ar (3) 再進(jìn)一步假設(shè)塑性功率與由塑性功引起的熱耗散率成正比，因此『=/ g = /VAr (4)將(4)代入(1)最后可得到<formula>formula see original document page 4</formula>由上述推導(dǎo)可以看出，通過觀測疲勞過程中的溫度變化，測得不同載荷作 用下的穩(wěn)定溫升A7;，以及每級載荷作用下的循環(huán)周次 .，可以得到各級載荷下構(gòu)件的疲勞壽命，從而快速確定其載荷-壽命曲線。在上述力學(xué)模型下，再根據(jù)Miner線性累積損傷定律<formula>formula see original document page 4</formula>
其中W為構(gòu)件的總工作壽命，」^為構(gòu)件在某一級載荷 作用下循環(huán)周次與義疲勞壽命的比值，"m為載荷i普中^作用時間占單個載荷塊作用時間的比例。因此，本發(fā)明的構(gòu)思是利用紅外熱像技術(shù)記錄循環(huán)加載過程中試件表面溫 度達(dá)到穩(wěn)定時的溫升值以及每一級載荷作用的循環(huán)周次，得出構(gòu)件的載荷一壽 命曲線，然后，再由Miner線性累積損傷定律估算出構(gòu)件在實際工況下的工作壽命。本發(fā)明提出的利用紅外熱像技術(shù)快速確定構(gòu)件載荷-壽命曲線，并根據(jù)該 曲線估算構(gòu)件工作壽命的方法包括下列步驟a. 首先根據(jù)構(gòu)件材料的已有力學(xué)參數(shù)(如該構(gòu)件材料的抗拉強度或疲勞極 限)，初步估計該構(gòu)件的疲勞極限，并統(tǒng)計編制該構(gòu)件實際工況下的載荷譜；b. 在上述估計的構(gòu)件疲勞極限的20%以下開始對構(gòu)件進(jìn)行等幅加載疲勞 試驗，并利用紅外攝像儀實時測量試驗過程中構(gòu)件表面的溫度變化；c. 當(dāng)構(gòu)件表面的溫度穩(wěn)定時，加大試驗載荷繼續(xù)試驗，構(gòu)件表面的溫度會 繼續(xù)上升，之后在另一個更高的水平上達(dá)到穩(wěn)定，又加大載荷依此直至該構(gòu)件 破壞，試驗結(jié)束，載荷增幅Ao"根據(jù)構(gòu)件材料性能和上一級試驗溫升值選??；d. 根據(jù)實驗數(shù)據(jù)每級載荷作用下的穩(wěn)定溫升A7;，以及對應(yīng)的加載次數(shù) ，由公式(5)計算各級載荷的疲勞壽命，繪制構(gòu)件的應(yīng)力-壽命曲線；e. 從應(yīng)力-壽命曲線中查找載荷譜中各個載荷的疲勞壽命，由公式(7)計算構(gòu)件的工作壽命。本發(fā)明所述的方法還包括用經(jīng)驗數(shù)據(jù)對估算的構(gòu)件工作壽命進(jìn)行修正的步驟。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提出的確定構(gòu)件工作壽命的方法可以在一個試件 上進(jìn)行多級載荷水平的試驗，得出該構(gòu)件的載荷-一壽命曲線，節(jié)省時間，成本 低廉。
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，其中 圖l是本發(fā)明實驗過程中構(gòu)件的溫升一循環(huán)周次曲線圖； 圖2是本發(fā)明方法得到的構(gòu)件載荷一壽命曲線圖。
具體實施方式
本發(fā)明提出的利用紅外熱像技術(shù)快速確定構(gòu)件載荷-壽命曲線，并根據(jù)該 曲線估算構(gòu)件工作壽命的方法包括下列步驟首先，根據(jù)構(gòu)件材料的已有力學(xué)參數(shù)(如該構(gòu)件材料的抗拉強度或疲勞極 限)，初步估計該構(gòu)件的疲勞極限，并統(tǒng)計編制實際工況下該構(gòu)件的載荷譜。然后，在上述估計的構(gòu)件疲勞極限的20%以下開始對構(gòu)件進(jìn)行等幅疲勞試 驗，并利用紅外攝像儀實時觀測試驗過程中構(gòu)件表面的溫度變化。當(dāng)溫度穩(wěn)定時，加大試驗載荷繼續(xù)試驗，載荷增幅參考構(gòu)件材料性能和上 一級實驗溫升值。每級載荷下都會有一個溫度穩(wěn)定的階段，達(dá)到這個階段即增 加載荷直至構(gòu)件破壞，試驗結(jié)束。如圖1所示，等幅加載疲勞試驗的初始試驗 載荷為q,在此載荷下工作一段時間后構(gòu)件表面溫度達(dá)到穩(wěn)定值A(chǔ)7;，接著加 大試驗載荷至q, —段時間后溫度又達(dá)到一個更高的穩(wěn)定值A(chǔ)7^,于是又加大 工作載荷，依此類推逐級增加試驗載荷(O",.為溫升穩(wěn)定"l次之后的試驗載荷) 直到構(gòu)件破壞，試驗結(jié)束，如圖1所示。'接著，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)每級載荷作用下的穩(wěn)定溫升A7;,以及對應(yīng)的加載 次數(shù) .，由公式(5)計算各級載荷的疲勞壽命，繪制構(gòu)件的應(yīng)力-壽命曲線； 如圖2所示。當(dāng)需要估算一個構(gòu)件在實際工況下的工作壽命時，首先根據(jù)載荷譜找出所 有各級載荷及各級載荷所占的比例，在圖(2)中以各級載荷為縱坐標(biāo)，其對應(yīng)的 橫坐標(biāo)即是各個載荷的疲勞壽命，然后根據(jù)公式(7 )計算構(gòu)件在實際工況下的 工作壽命。由于試驗載荷與實際載荷存在一些差異，如加載順序不完全一樣等，需要 對計算出的壽命加以修正。
權(quán)利要求
1、一種確定構(gòu)件載荷-壽命曲線及其工作壽命的方法，其特征在于包括下列步驟a.根據(jù)構(gòu)件材料的已有力學(xué)參數(shù)初步估計該構(gòu)件的疲勞極限，并統(tǒng)計編制該構(gòu)件實際工況下的載荷譜；b.在上述估計的構(gòu)件疲勞極限的20％以下開始對構(gòu)件進(jìn)行等幅加載的疲勞試驗，并利用紅外攝像儀實時測量試驗過程中構(gòu)件表面的溫度變化；c.在初始載荷下當(dāng)構(gòu)件表面的溫度穩(wěn)定時，加大試驗載荷繼續(xù)試驗，構(gòu)件表面的溫度會繼續(xù)上升，之后在另一個更高的載荷水平上達(dá)到穩(wěn)定，又加大載荷依此直至該構(gòu)件破壞，試驗結(jié)束，載荷增幅Δσ根據(jù)構(gòu)件材料性能和上一級試驗溫升值選??；d.根據(jù)實驗數(shù)據(jù)每級載荷作用下的穩(wěn)定溫升ΔTj，以及對應(yīng)的加載次數(shù)nj，<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>N</mi> <mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>Σ</mi><msub> <mi>ΔT</mi> <mi>j</mi></msub><msub> <mi>n</mi> <mi>j</mi></msub> </mrow> <msub><mi>ΔT</mi><mi>i</mi> </msub></mfrac> </mrow>]]></math> id="icf0001" file="A2009101082690002C1.tif" wi="22" he="10" top= "111" left = "34" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>計算各級載荷的疲勞壽命，并繪制構(gòu)件的應(yīng)力-壽命曲線；e.從應(yīng)力-壽命曲線中查找載荷譜中各個載荷的疲勞壽命，由<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><msub> <mi>α</mi> <mn>1</mn></msub><msub> <mi>N</mi> <mn>1</mn></msub> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac><msub> <mi>α</mi> <mn>2</mn></msub><msub> <mi>N</mi> <mn>2</mn></msub> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac><msub> <mi>α</mi> <mn>3</mn></msub><msub> <mi>N</mi> <mn>3</mn></msub> </mfrac> <mo>+</mo> <mo>.</mo> <mo>.</mo> <mo>.</mo> <mo>+</mo> <mfrac><msub> <mi>α</mi> <mi>m</mi></msub><msub> <mi>N</mi> <mi>m</mi></msub> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mo>×</mo><mi>N</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow>]]></math> id="icf0002" file="A2009101082690002C2.tif" wi="51" he="8" top= "142" left = "25" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>計算構(gòu)件的工作壽命。
2、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于步驟a中所述的已有力學(xué)參數(shù) 是構(gòu)件材料的屈服極限或疲勞極限。
3、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于還包括用經(jīng)驗數(shù)據(jù)對估算的構(gòu) 件工作壽命進(jìn)行修正的步驟。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種估算構(gòu)件工作壽命的方法，包括下列步驟a.初步估計構(gòu)件的疲勞極限，并統(tǒng)計實際工況下構(gòu)件的載荷譜；b.在上述估計疲勞極限的20％以下開始對構(gòu)件進(jìn)行等幅循環(huán)加載，進(jìn)行構(gòu)件疲勞試驗，并利用紅外攝像儀實時測量試驗過程中構(gòu)件表面的溫度變化；c.當(dāng)構(gòu)件表面的溫度穩(wěn)定時，加大試驗載荷繼續(xù)試驗，每級載荷下都會有一個溫度穩(wěn)定的階段，達(dá)到這個階段即加大試驗載荷直至該構(gòu)件破壞，試驗結(jié)束；d.根據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算該構(gòu)件在每一級應(yīng)力作用下的疲勞壽命進(jìn)而可以繪制該構(gòu)件的應(yīng)力-壽命曲線；e.從應(yīng)力-壽命曲線中查找載荷譜中各個載荷的疲勞壽命，由公式計算構(gòu)件的工作壽命。
文檔編號G01N3/32GK101598650SQ200910108269
公開日2009年12月9日 申請日期2009年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月24日
發(fā)明者樺 丁 申請人:深圳市網(wǎng)藍(lán)實業(yè)有限公司