本發(fā)明涉及機械零部件的疲勞壽命評估方法。
背景技術：
：航空發(fā)動機熱端部件如渦輪葉片、榫槽等部位往往在高溫、高應力的苛刻工作條件下服役，而由于結構形式、載荷條件復雜性，其應力應變狀態(tài)往往處于三維變幅多軸狀態(tài)，對其進行高溫、三維多軸疲勞壽命評估就成為這些部件設計階段的一項重要工作。這些部件對于可靠性、輕量化設計具有重大需求.高溫部件工作溫度往往也變化劇烈。目前工程上對于評估零部件在三維應力應變、變幅載荷、變溫高溫工作條件下機械零部件的疲勞壽命具有較大的困難。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種機械零部件的疲勞壽命評估方法。為實現(xiàn)所述目的的機械零部件的疲勞壽命評估方法，其包括獲取載荷歷程數(shù)據(jù)；對載荷歷程數(shù)據(jù)的載荷歷程反復計數(shù)；基于臨界面法確定臨界面及其損傷參量；對于每一個所述載荷歷程反復，若其最高溫度T低于材料的蠕變開始發(fā)生溫度，則僅評估疲勞損傷Df1，若T達到蠕變開始發(fā)生溫度，則評估疲勞損傷Df2并且評估蠕變損傷Dc；根據(jù)公式D＝∑Df1+∑Df2+∑Dc評估總損傷；由總損傷評估疲勞壽命。所述的疲勞壽命評估方法的較佳實施例中，對于每一個所述載荷歷程反復，基于其最高溫度T來評估疲勞損傷Df1以及蠕變損傷Dc，并基于不高于T的溫度來評估疲勞損傷Df2。所述的疲勞壽命評估方法的較佳實施例中，評估疲勞損傷Df1或Df2是依據(jù)所述T對應的應變-壽命曲線獲得，或者具有從低到高的不低于常溫的T1，T2……Tn共n個溫度對應n條應變-壽命曲線獲得，即其中，Df為Df1或Df2，DfTi是對應溫度Ti的疲勞損傷，1<i<n，Ti為第i條應變-壽命曲線對應的溫度，Tm為材料的熔化溫度，i和n為整數(shù)。所述的疲勞壽命評估方法的較佳實施例中，所述載荷歷程數(shù)據(jù)包括時間t、以及對應該時間t的溫度、各方向正應力σ和正應變ε、各方向剪應力τ和剪應變γ，其中三維應力矩陣和應變矩陣如下：應變矩陣：ϵxγxyγxzγyxϵyγyzγzxγzyϵz,]]>其中γxy＝γyx,γxz＝γzx,γyz＝γzy應變矩陣獨立分量為[εxεyεzγxyγyzγzx]應力矩陣：σxτxyτxzτyxσyτyzτzxτzyσz,]]>其中τxy＝τyx,τxz＝τzx,τyz＝τzy應力獨立分量為：[σxσyσzτxyτyzτzx]其中：εx,εy,εz為X-Y-Z直角坐標系下的正應變；γxy,γyz,γzx,γyx,γzy,γxz為X-Y-Z坐標系下的剪應變；σx,σy,σz為X-Y-Z坐標系下的正應力；τxy,τyz,τzx,τyx,τzy,τxz為X-Y-Z坐標系下的剪應力。所述的疲勞壽命評估方法的較佳實施例中，確定臨界面的方法首先對各點應變矩陣和應力矩陣進行坐標轉換，由坐標系X-Y-Z下的應變、應力分量得到坐標系X’-Y’-Z’下的應變、應力分量，然后依據(jù)臨界面的設定條件獲得臨界面的位向角和臨界面上的損傷參量，其中應變轉換矩陣為：ϵx′ϵy′ϵz′γx′y′γx′z′γy′z′=a112a122a132a11a12a11a13a13a12a212a222a232a21a22a21a23a23a22a312a322a332a31a32a31a33a33a322a11a212a12a222a13a23(a11a22+a12a21)(a13a21+a11a23)(a12a23+a13a22)2a11a312a12a322a13a33(a11a32+a12a31)(a13a31+a11a33)(a13a32+a12a33)2a21a312a22a322a23a33(a21a32+a22a31)(a23a31+a21a33)(a22a33+a23a32)ϵxϵyϵzγxyγxzγyz]]>應力轉換矩陣為：σx′σy′σz′τx′y′τx′z′τy′z′=a112a122a1322a11a122a11a132a13a12a212a222a2322a21a222a21a232a23a22a312a322a3322a31a322a31a332a33a32a11a21a12a22a13a23(a11a22+a12a21)(a13a21+a11a23)(a12a23+a13a22)a11a31a12a32a13a33(a11a32+a12a31)(a13a31+a11a33)(a13a32+a12a33)a21a31a22a32a23a33(a21a32+a22a31)(a23a31+a21a33)(a22a33+a23a32)σxσyσzτxyτxzτyz]]>其中轉換矩陣的系數(shù)為：a21＝-sinθa22＝cosθa23＝0θ和為確定坐標系X’-Y’-Z’相對于坐標系X-Y-Z位置關系的兩個夾角。所述的疲勞壽命評估方法的較佳實施例中，蠕變損傷為Dc=ttc]]>其中t為一個反復的周期，tc為持久斷裂時間，tc依據(jù)持久熱強參數(shù)綜合方程求解，持久應力采用下式計算：σc=σeq|max+σeq|min2]]>其中σeq|max為一個反復的最大等效應力；σeq|min為一個反復的最小等效應力；σc為一個反復的持久應力。所述的疲勞壽命評估方法的較佳實施例中，疲勞損傷Df1或Df2是基于統(tǒng)一型多軸疲勞壽命預測模型評估，所述損傷參量包括最大剪切應力變幅和最大正應力變幅。所述的疲勞壽命評估方法的較佳實施例中，獲取載荷歷程數(shù)據(jù)還包括載荷歷程整理，依次求出每一個時刻點的等效應變，載荷歷程數(shù)據(jù)在最大等效應變點處斷開，將該點之前數(shù)據(jù)作為最后一個時刻點之后載荷歷程數(shù)據(jù)。所述的疲勞壽命評估方法的較佳實施例中，基于多軸循環(huán)計數(shù)方法(如Wang-Brown等效相對應變的多軸計數(shù)方法)，對整理后的多軸載荷歷程進行反復計數(shù)。所述的疲勞壽命評估方法的較佳實施例中，所述機械零部件的疲勞為三維應力應變狀態(tài)下的高溫且變幅多軸且低周疲勞，所述高溫是所述工況的最高溫度大于所述機械零部件材料的蠕變開始溫度，所述變幅多軸是多向應力或應變變化，所述低周是疲勞破壞發(fā)生時載荷不高于106個循環(huán)。工程上處理蠕變疲勞的方法常見有時間壽命分數(shù)法、基于連續(xù)損傷力學(CDM)的方法、應變范圍區(qū)分法等等。與其不同的是，前述方法將蠕變損傷和疲勞損傷分別考慮，因此前述方法提高了計算的準確性和合理性。附圖說明本發(fā)明的上述的以及其他的特征、性質和優(yōu)勢將通過下面結合附圖和實施例的描述而變得更加明顯，其中：圖1為本發(fā)明一實施例中機械零部件的疲勞壽命評估方法的流程圖；圖2為本發(fā)明一實施例中示意臨界面獲取方法的示意圖。具體實施方式下面結合具體實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明，在以下的描述中闡述了更多的細節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是本發(fā)明顯然能夠以多種不同于此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下根據(jù)實際應用情況作類似推廣、演繹，因此不應以此具體實施例的內(nèi)容限制本發(fā)明的保護范圍。如圖1所示，機械零部件的疲勞壽命評估方法包括獲取載荷歷程數(shù)據(jù)，獲取載荷歷程數(shù)據(jù)可以是通過傳感器測量機械零部件的疲勞部位的載荷大小，然后將測量數(shù)據(jù)輸入到計算裝置中，機械零部件的疲勞部位的位置可以是通過經(jīng)驗獲得，或者是通過實驗獲得，或者通過計算獲得。載荷歷程數(shù)據(jù)可以包括時間t、以及對應該時間t的溫度、各方向正應力σ和正應變ε、各方向剪應力τ和剪應變γ，其中三維應力矩陣和應變矩陣如下：應變矩陣：ϵxγxyγxzγyxϵyγyzγzxγzyϵz,]]>其中γxy＝γyx,γxz＝γzx,γyz＝γzy應變矩陣獨立分量為[εxεyεzγxyγyzγzx]應力矩陣：σxτxyτxzτyxσyτyzτzxτzyσz,]]>其中τxy＝τyx,τxz＝τzx,τyz＝τzy應力獨立分量為：[σxσyσzτxyτyzτzx]其中：εx,εy,εz為X-Y-Z直角坐標系下的正應變；γxy,γyz,γzx,γyx,γzy,γxz為X-Y-Z坐標系下的剪應變；σx,σy,σz為X-Y-Z坐標系下的正應力；τxy,τyz,τzx,τyx,τzy,τxz為X-Y-Z坐標系下的剪應力。在非三維應力應變狀態(tài)下的機械零部件，可以將前述z向的分量設置為0。獲得的載荷歷程通常對應機械零部件的一個載荷循環(huán)的數(shù)據(jù)。還可以對獲得的載荷歷程數(shù)據(jù)進行整理，例如依次求出每一個時刻點的等效應變，載荷歷程數(shù)據(jù)在最大等效應變點處斷開，將該點之前數(shù)據(jù)作為最后一個時刻點之后載荷歷程數(shù)據(jù)。繼續(xù)參照圖1，依據(jù)本發(fā)明的疲勞壽命評估方法還包括對載荷歷程數(shù)據(jù)的載荷歷程反復(或者循環(huán))計數(shù)。對反復的計數(shù)包括但不限于是基于Wang-Brown等效相對應變的多軸計數(shù)方法，對整理后的多軸載荷歷程進行反復計數(shù)。繼續(xù)參照圖1，依據(jù)本發(fā)明的疲勞壽命評估方法還包括基于臨界面法確定臨界面及其損傷參量。在本發(fā)明的一實施例中，臨界面的設定條件是最大剪切應變幅△γmax所在的面，損傷參量同樣選取△γmax。在本發(fā)明的其他實施例中，臨界面可以通過其他設定條件而確定。臨界面上的損傷參量包括但不限于正應力、剪切應力、正應變、剪切應變。參照圖1和圖2，確定臨界面的方法首先對各點應變矩陣和應力矩陣進行坐標轉換，由坐標系X-Y-Z下的應變、應力分量得到坐標系X’-Y’-Z’下的應變、應力分量，然后依據(jù)臨界面的設定條件獲得臨界面的位向角和臨界面上的損傷參量，其中應變轉換矩陣為：ϵx′ϵy′ϵz′γx′y′γx′z′γy′z′=a112a122a132a11a12a11a13a13a12a212a222a232a21a22a21a23a23a22a312a322a332a31a32a31a33a33a322a11a212a12a222a13a23(a11a22+a12a21)(a13a21+a11a23)(a12a23+a13a22)2a11a312a12a322a13a33(a11a32+a12a31)(a13a31+a11a33)(a13a32+a12a33)2a21a312a22a322a23a33(a21a32+a22a31)(a23a31+a21a33)(a22a33+a23a32)ϵxϵyϵzγxyγxzγyz]]>應力轉換矩陣為：σx′σy′σz′τx′y′τx′z′τy′z′=a112a122a1322a11a122a11a132a13a12a212a222a2322a21a222a21a232a23a22a312a322a3322a31a322a31a332a33a32a11a21a12a22a13a23(a11a22+a12a21)(a13a21+a11a23)(a12a23+a13a22)a11a31a12a32a13a33(a11a32+a12a31)(a13a31+a11a33)(a13a32+a12a33)a21a31a22a32a23a33(a21a32+a22a31)(a23a31+a21a33)(a22a33+a23a32)σxσyσzτxyτxzτyz]]>其中轉換矩陣的系數(shù)為：a21＝-sinθa22＝cosθa23＝0θ和為確定坐標系X’-Y’-Z’相對于坐標系X-Y-Z位置關系的兩個夾角。如圖2所示，設定的臨界面F以與坐標系X-Y-Z分別相交的三角形來表示，坐標系X’-Y’-Z’中的軸X’為臨界面F的法向，并與坐標系X-Y-Z的原點相交，夾角θ為軸X’在XY平面內(nèi)的投影與軸X的夾角，夾角為軸X’與軸Z的夾角，通過夾角θ、可以確定一個坐標系X’-Y’-Z’相對于坐標系X-Y-Z位置關系，這個位置關系足以用來最終確定臨界面的位置。在臨界面的設定條件是最大剪切應變幅△γmax所在的面的條件下，將θ、分別以5°的變幅在360度范圍內(nèi)變化，然后將最大剪切應變幅△γmax對應的θ、用來確定臨界面的位置。另外，根據(jù)前述轉換矩陣，可以計算相應的損傷參量。繼續(xù)參照圖1，依據(jù)本發(fā)明的疲勞壽命評估方法還包括獲得每個反復的溫度，對于每一個所述載荷歷程反復，若其最高溫度T低于材料的蠕變開始發(fā)生溫度，則僅評估疲勞損傷Df1，若T達到蠕變開始發(fā)生溫度，則評估疲勞損傷Df2并且評 估蠕變損傷Dc。在本發(fā)明的一實施例中，每個時間點的溫度都可能是不同的，在一個反復中取其最高溫度作為計算溫度T。對于金屬材料，一般認為蠕變發(fā)生與否和金屬的熔點溫度Tm有關，一般可根據(jù)計算溫度十分大于Tm的一半進行判斷。因此如果T低于材料熔化溫度Tm的一半，則按照高溫疲勞計算。若T高于熔化溫度Tm的一半，則按照蠕變疲勞計算。但界限不一定是要Tm的一半，對于合金，蠕變發(fā)生開始溫度一般在(0.4-0.6)Tm。評估疲勞損傷Df1或Df2是依據(jù)溫度T對應的已知應變-壽命曲線獲得。若沒有對應的已知應變-壽命曲線，可以從具有從低到高的不低于常溫的T1，T2……Tn共n個溫度對應n條應變-壽命曲線獲得，即其中，Df為Df1或Df2，DfTi是對應溫度Ti的疲勞損傷，1<i<n，Ti為第i條應變-壽命曲線對應的溫度，Tm為材料的熔化溫度，i和n為整數(shù)。蠕變疲勞產(chǎn)生疲勞損傷Df2可以采用最低溫度對應的應變-壽命曲線獲得。在本發(fā)明一實施例中，疲勞損傷Df1或Df2是基于統(tǒng)一型多軸疲勞壽命預測模型評估。統(tǒng)一型多軸疲勞壽命預測模型的計算公式如下：ϵn*2+13(Δγmax2)2=σ′fE(2Nf)b+ϵ′f(2Nf)c]]>其中△γmax分別為臨界面的正應變范圍以及剪切應變范圍，σ'f，b，ε'f，c為機械零部件的材料低周疲勞參數(shù)。在本發(fā)明的一是實施例中，蠕變損傷為Dc=ttc]]>其中t為一個反復的周期，tc為持久斷裂時間，tc依據(jù)持久熱強參數(shù)綜合方程求解，持久應力采用下式計算：σc=σeq|max+σeq|min2]]>其中σeq|max為一個反復的最大等效應力；σeq|min為一個反復的最小等效應力；σc為一個反復的持久應力。持久熱強參數(shù)綜合方程可以是拉森-米勒(Larson-Miller)持久熱強參數(shù)綜合方程或者曼森-索克普(Manson-Succop)持久熱強參數(shù)綜合方程。材料持久熱強參數(shù)綜合方程(L-M)形式為：lgσ＝5.891306-11.71323P+17.52412P2-17.28321P3其中P＝T(lgt+25.32)/105,T＝(9θ/5+32)+460，θ為攝氏溫度可以代入前述計算溫度，方程中的σ可以代入前述σc，這樣可以求得方程中的t，即得到前述持久斷裂時間tc。本發(fā)明的評估方法然后根據(jù)公式D＝∑Df1+∑Df2+∑Dc評估總損傷。最后由總損傷評估疲勞壽命。疲勞壽命N與總損傷的關聯(lián)關系可以是N＝1/D，也可以是其他方式，例如D＝1/N+1/N2。值得一提的是，本發(fā)明的疲勞壽命評估方法不僅適合于金屬也適合于塑料，尤其適合于機械零部件的疲勞為三維應力應變狀態(tài)下的高溫且變幅多軸且低周疲勞的情況，所述高溫是所述工況的最高溫度大于所述機械零部件材料的蠕變開始溫 度，所述變幅多軸是多向應力或應變變化，所述低周是疲勞破壞發(fā)生時載荷不高于106個循環(huán)。下面通過具體的載荷數(shù)據(jù)歷程進一步說明前述具體實施方式。后述的示例中臨界面是基于最大剪切應變幅的臨界面，疲勞損傷模型采用了統(tǒng)一型多軸疲勞壽命預測模型，持久損傷計算采用了拉森-米勒(Larson-Miller)持久熱強參數(shù)綜合方程，損傷累積采用Miner定理，即線性損傷累計方法。示例中最終求取的結果D為總損傷，N為壽命，即為評估結果。示例采用的材料低周疲勞參數(shù)如下表1，持久熱強參數(shù)綜合方程如表2，材料熔點為1290℃。表格1材料低周疲勞參數(shù)溫度/℃σfEεfbc36016982100000.949-0.07-0.8455015461982000.412-0.07-0.7365014761820000.108-0.09-0.58表格2材料持久熱強參數(shù)綜合方程參數(shù)ba0a1a2a3熔點25.1251.5660025.671844.353919-23.602521290材料持久熱強參數(shù)綜合方程(L-M)形式為：lgσ＝5.891306-11.71323P+17.52412P2-17.28321P3其中P＝T(lgt+25.32)/105,T＝(9θ/5+32)+460，θ為攝氏溫度統(tǒng)一型多軸疲勞壽命預測模型為：ϵn*2+13(Δγmax2)2=σ′fE(2Nf)b+ϵ′f(2Nf)c]]>其中：和△γmax為臨界面法求出的多軸疲勞損傷參量。獲得的歷程數(shù)據(jù)如下表3(其中應變?yōu)閱挝粸椋?，應力單位為MPa，時間單位為ms)：表格3輸入數(shù)據(jù)步驟1)：讀取載荷歷程數(shù)據(jù)。載荷歷程數(shù)據(jù)中包含每一時刻點的時間t、溫度T、各方向正應力σ和正應變ε、各方向剪應力τ和剪應變γ等共14項數(shù)據(jù)，如上表格。步驟2)：載荷歷程整理。依次求出每一個時刻點的等效應變，載荷歷程數(shù)據(jù)在最大等效應變點處斷開，該點之前數(shù)據(jù)平移到最后。示例中的最大等效應變點為第11行，平移并調整之后的歷程如下表：表格4調整之后的載荷歷程數(shù)據(jù)步驟3)：多軸載荷歷程反復計數(shù)?；赪ang-Brown等效相對應變的多軸計數(shù)方法，對整理后的多軸載荷歷程進行反復計數(shù)。統(tǒng)計出該歷程包含兩個反復：第1-18行和第18-35行，用時間表示為11000ms-28000ms和28000ms-45000ms。步驟4)：基于臨界面法確定三維應力/應變狀態(tài)下的臨界面及其損傷參量。根據(jù)所采用的統(tǒng)一型多軸疲勞模型，以最大剪應變所在面為臨界面，臨界面上損傷參量為臨界面件應變范圍Δγ和臨界面剪應變折返點間正應變范圍Δε即如果每次新坐標系對θ或旋轉的角度為5°(變幅大小)，以最大剪應變幅所在的變?yōu)榕R界面，可以求出，第一個反復的臨界面位向角為θ＝340°，第二個反復的臨界面位向角為θ＝340°，求解結果如下：表格5臨界面法求解結果步驟5)：通過確定每個反復的計算溫度，確定損傷計算的方法。材料熔點為1290℃，熔點的一半為645℃；可以求出第一個反復的計算溫度為500℃，低于645℃，按照高溫疲勞損傷計算方法計算；第二個反復計算溫度為650℃，高于645℃，按照蠕變-疲勞損傷求解方法計算。步驟6)：計算多軸疲勞損傷。選擇統(tǒng)一型多軸疲勞壽命預測模型ϵn*2+13(Δγmax2)2=σ′fE(2Nf)b+ϵ′f(2Nf)c]]>將步驟4)求出的臨界面求解參量和材料參數(shù)代入，即可求解該反復應計入的疲勞損傷。對于變溫的處理方法：第一個反復的計算溫度為500℃，按照高溫疲勞求解疲勞損傷，疲勞損傷按照360℃和550℃下的低周疲勞應變-壽命曲線插值計算疲勞損傷，不計持久損傷；按照統(tǒng)一型多軸疲勞壽命預測模型，360℃條件疲勞損傷為0.0003493,550 ℃條件下疲勞損傷為0.0003888，則插值計算500℃條件下疲勞損傷為0.0003784；第二個反復的計算溫度為650℃，超過了材料熔點的一半，采用多軸蠕變-疲勞損傷計算方法求疲勞損傷。采用360℃(已有的最低溫度)條件下材料疲勞參數(shù)計算疲勞損傷，依據(jù)統(tǒng)一型多軸疲勞壽命預測模型可以求出疲勞損傷為0.0003446。步驟7)：求持久蠕變損傷。第二個反復的計算溫度為650℃，超過了材料熔點的一半，需要計算持久蠕變損傷。該反復內(nèi)最高等效應力為653MPa，最低等效應力為17Mpa，則持久應力為0.5*(653+17)＝335MPa，持久斷裂時間為3761h，該反復的持續(xù)時間為45000-28000＝17000ms，則持久損傷為17000/1000/3600/3761＝1.2e-6。步驟8)：損傷累積。本例采用線性損傷累計方法?？倱p傷為：D＝0.0003784+(0.0003446+0.0000012)＝0.0007242壽命為：N＝1/D＝1381塊，即經(jīng)過1381個示例載荷快，該評估點發(fā)生蠕變-疲勞破壞。經(jīng)過以上八個步驟，即完成了對該高溫條件下三維應力應變狀態(tài)的蠕變-疲勞損傷評估。工程上處理蠕變疲勞的方法常見有時間壽命分數(shù)法、基于連續(xù)損傷力學(CDM)的方法、應變范圍區(qū)分法等等。前述實施方式時間壽命分數(shù)法將蠕變損傷和疲勞損傷分算。溫度升高會造成材料性能下降，而在變溫作用下對于疲勞損傷求解，采用單一溫度下的應變壽命曲線就會不準確，而又不可能具有每個溫度下的應變壽命曲線，前述實施例提出了變溫作用下的疲勞損傷插值計算方法，提高了計算的準確性和合理性。材料發(fā)生多軸蠕變疲勞破壞，由于應力是多軸的且大小是變化，不能簡單地通過采用某一個應力分量來表征持久應力來求出蠕變損傷，前述實施例提出了在多軸蠕變疲勞損傷計算中一個反復的持久應力計算方法，為蠕變損傷確定提供了依據(jù)。前述實施例尤其適合于評估處于高溫環(huán)境、三維應力應變狀態(tài)工作條件的 熱端部件低周多軸蠕變-疲勞損傷評估和壽命預測，本發(fā)明人已經(jīng)過試驗驗證，該方法在評估熱端部件高溫蠕變-疲勞壽命上具有較高的精度。本發(fā)明雖然以較佳實施例公開如上，但其并不是用來限定本發(fā)明，任何本領域技術人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以做出可能的變動和修改。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術實質對以上實施例所作的任何修改、等同變化及修飾，均落入本發(fā)明權利要求所界定的保護范圍之內(nèi)。當前第1頁1 2 3