專利名稱：高溫構(gòu)件材料的壽命及壽命消耗的預(yù)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于壽命預(yù)測(cè)領(lǐng)域，涉及預(yù)測(cè)高溫構(gòu)件使用材料的服役壽命及壽命損耗的方法，特別涉及到計(jì)算在一定可靠度下的壽命值及壽命損耗。
背景技術(shù)：
在核動(dòng)力、發(fā)電設(shè)備、高速飛機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和高溫高壓反應(yīng)等裝置中考慮高溫強(qiáng)度因素進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)日益重要。高溫材料的持久強(qiáng)度是其最基本，也是最重要的性能。并且是評(píng)價(jià)其它高溫力學(xué)性能，如高溫低周疲勞、蠕變裂紋擴(kuò)展、應(yīng)力松弛等的基礎(chǔ)。高溫設(shè)備的設(shè)計(jì)必須依據(jù)材料的長期持久強(qiáng)度來進(jìn)行，而關(guān)鍵部件則要求以高置信度、高可靠性的持久強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)依據(jù)。此外，實(shí)際和經(jīng)濟(jì)上的考慮要求構(gòu)件的延壽，而這需要評(píng)價(jià)延壽可能帶來的危險(xiǎn)。
在剩余壽命預(yù)測(cè)及延壽評(píng)估中，由于試驗(yàn)的困難，工程上大多根據(jù)短時(shí)蠕變或持久性能數(shù)據(jù)來推測(cè)長期持久強(qiáng)度。Monkman-Grant關(guān)系根據(jù)穩(wěn)態(tài)蠕變速率與溫度T、應(yīng)力的關(guān)系，得到持久壽命tr的表達(dá)式1tr∝ϵ·s=Aσnexp(-QcRT)---(1)]]>而Larson-Miller、Manson-Haferd、葛庭燧和Doan等人都基于各自的模型提出了溫度-時(shí)間參數(shù)P(σ)＝f(T，tr)，利用溫度-時(shí)間綜合參數(shù)整理了持久壽命的參數(shù)外推法，從而使得A在較大的應(yīng)力、溫度范圍內(nèi)的持久性能數(shù)據(jù)可以整理到一個(gè)數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，或用一條主曲線來表示。利用這種方法外推，例如Larson-Miller方法外推已成為許多工程合金持久性能數(shù)據(jù)的常用表示法。
Robinson壽命分?jǐn)?shù)法則把損傷的積累看成是一個(gè)線性過程。基于以下兩點(diǎn)獨(dú)立假設(shè)即在一定的溫度和應(yīng)力下，蠕變損傷和消耗的斷裂壽命分?jǐn)?shù)是成比例的，以及每個(gè)載荷周期所引起的蠕變損傷是彼此獨(dú)立的。得到Σititfi=1---(2)]]>Robinson壽命分?jǐn)?shù)法則表明當(dāng)式(2)的左邊部分的累積等于1時(shí)，破壞產(chǎn)生。上述方法均表明對(duì)于精確的溫度、應(yīng)力和材料性能值，預(yù)測(cè)的壽命及受損耗的數(shù)值是確定的。
另外，在中國發(fā)明專利CN 1010130B、美國專利3950985、美國專利5042295中，構(gòu)件壽命可以在精確地獲得溫度、應(yīng)力的使用條件后，精確地計(jì)算出來。然而，由于工程構(gòu)件的老化、損傷、失效受到眾多隨機(jī)不確定性因素的影響，例如設(shè)備在制造過程中或服役過程中產(chǎn)生的缺陷的大小、方位和形貌等往往具有隨機(jī)不確定性質(zhì)；或者由于冶金等方面的原因，會(huì)導(dǎo)致材料不均勻性；即使同種牌號(hào)、同一爐冶煉的材料，其力學(xué)性能也往往具有較大的分散性。這些都導(dǎo)致壽命預(yù)測(cè)結(jié)果的不確定性。由于持久性能實(shí)驗(yàn)需要在一定的溫度和應(yīng)力條件下進(jìn)行，因此，在相同實(shí)驗(yàn)條件下的數(shù)據(jù)量比較少，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性受到局限。對(duì)于大多數(shù)材料而言，要得到在相同實(shí)驗(yàn)條件下的斷裂壽命數(shù)據(jù)分布，是需要花費(fèi)大量的時(shí)間和財(cái)力，實(shí)施的難度較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種能有效利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來進(jìn)行高溫構(gòu)件材料壽命的可靠性預(yù)測(cè)的方法，也提供一種基于可靠性計(jì)算高溫構(gòu)件材料的壽命損耗的方法。
本發(fā)明解決技術(shù)問題的方案如下確定在一定可靠度下高溫構(gòu)件材料的服役壽命及壽命損耗，包括確定材料在規(guī)定溫度和規(guī)定應(yīng)力下的斷裂壽命值，依據(jù)一定的溫度-時(shí)間綜合參數(shù)確定持久壽命數(shù)據(jù)范圍；利用最小二乘法確定數(shù)據(jù)的主曲線；計(jì)算上述持久性能數(shù)據(jù)偏離主曲線的程度；依據(jù)偏離值來確定數(shù)據(jù)的分布曲線；依據(jù)分布曲線根據(jù)可靠度來確定相應(yīng)的數(shù)值；依據(jù)在各可靠度下的數(shù)值換算成在服役溫度、服役應(yīng)力下的服役壽命；根據(jù)在設(shè)定可靠度下的服役壽命計(jì)算在預(yù)定時(shí)間間隔產(chǎn)生的壽命損耗。
本發(fā)明的效果及益處是可以充分利用在不同溫度和應(yīng)力下的持久性能數(shù)據(jù)，獲得較高置信度的可靠性分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)較高精度的高溫持久壽命及壽命損耗的可靠性預(yù)測(cè)。所提出的方法適用于高溫構(gòu)件的壽命評(píng)估和延壽分析。


本發(fā)明的使用及步驟以及進(jìn)一步的目的和優(yōu)點(diǎn)可以參照以下附圖能更好的理解。
圖1是應(yīng)力σ和溫度-時(shí)間參數(shù)示意圖。可以看見以應(yīng)力σ和溫度-時(shí)間參數(shù)P(σ)＝f(T，tr)關(guān)聯(lián)的持久性能數(shù)據(jù)分布在一個(gè)數(shù)據(jù)帶中，實(shí)線是根據(jù)數(shù)據(jù)回歸的主曲線，可以表示為多項(xiàng)式P(σ)＝Z0+C1logσ+C2log2σ+C3log3σ(3)其中P(σ)＝f(T，tr)為溫度-時(shí)間參數(shù)；σ為應(yīng)力，T為溫度，Z0、C1、C2、C3為常數(shù)。
在某些情況下，使用式(3)可能導(dǎo)致在低應(yīng)力側(cè)主曲線產(chǎn)生異常的偏折，從而產(chǎn)生錯(cuò)誤的壽命預(yù)測(cè)結(jié)果，因此持久性能數(shù)據(jù)回歸的主曲線也可以用下式表示P(σ)＝Z0+Alogσ+Bσ(4)其中P(σ)＝f(T，tr)為溫度-時(shí)間參數(shù)；
σ為應(yīng)力，T為溫度，Z0、A、B為常數(shù)。
圖2是數(shù)據(jù)點(diǎn)偏離主曲線距離的分布圖，其中橫坐標(biāo)Z表示數(shù)據(jù)點(diǎn)偏離主曲線的距離，Z的計(jì)算用下式表示Z＝Z0+C1logσ+C2log2σ+C3log3σ-P(σ) (5)或者，對(duì)于主曲線表示為式(4)的情況下，Z的計(jì)算用下式表示Z＝Z0+Alogσ+Bσ-P(σ) (6)通常情況下，Z的數(shù)值服從正態(tài)分布。
根據(jù)圖2的分布，可以獲得在不同可靠度下參數(shù)Z的值。在獲得不同可靠度下Z值的基礎(chǔ)上，可以基于式(5)或式(6)計(jì)算在溫度Ti，應(yīng)力σi下的壽命tri；參照以上結(jié)果，對(duì)于在溫度Ti，應(yīng)力σi下的時(shí)間間隔Δti，在設(shè)定可靠度下的壽命損耗ΔDi可由下式計(jì)算ΔDi＝Δti/tri(7)具體實(shí)施方式
以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施例。
圖3是根據(jù)5Cr0.5Mo耐熱鋼持久性能數(shù)據(jù)整理的結(jié)果，其中的溫度-時(shí)間參數(shù)P(σ)＝T(20+lgtr)，圖中主曲線表示為P＝17.56+11.4logσ-7.16log2σ+0.95log3σ (8)而數(shù)據(jù)點(diǎn)偏離主曲線的程度可以表示為Z＝17.56+11.4logσ-7.16log2σ+0.95log3σ-103×T(20+lgtr)(9)圖4是5Cr0.5Mo的數(shù)據(jù)點(diǎn)偏離主曲線的Z值的分布圖，檢驗(yàn)得知分布服從正態(tài)分布。
根據(jù)所設(shè)定的可靠度95％、99％和99.9％，計(jì)算相應(yīng)的Z值為0.3222，0.44020和0.5754，可以計(jì)算在規(guī)定溫度T和應(yīng)力σ下的壽命值tr。
例如基于以上結(jié)果，計(jì)算在溫度773K，應(yīng)力70MPa下，設(shè)定可靠度為95％、99％和99.9％時(shí)壽命損耗與服役時(shí)間的關(guān)系如圖5所示，可以看到不同服役時(shí)間的壽命損耗值與可靠度之間的密切關(guān)系。
權(quán)利要求
1.一種高溫構(gòu)件材料的壽命及壽命消耗的預(yù)測(cè)方法，其特征在于利用可靠性來預(yù)測(cè)壽命及壽命損耗，實(shí)施步驟包括a.確定材料在規(guī)定溫度和規(guī)定應(yīng)力下的斷裂壽命值；b.依據(jù)溫度-時(shí)間綜合參數(shù)確定持久性能數(shù)據(jù)范圍，并確定主曲線；c.確定持久性能數(shù)據(jù)的分布曲線；d.依據(jù)分布曲線設(shè)定的可靠度，計(jì)算在規(guī)定溫度、規(guī)定應(yīng)力下的壽命；e.預(yù)定時(shí)間間隔除以設(shè)定可靠度下的壽命產(chǎn)生損耗值，損耗值表示在設(shè)定可靠度下預(yù)定時(shí)間間隔內(nèi)的壽命損耗。
2.如權(quán)利要求1所述的高溫構(gòu)件材料的壽命及壽命消耗的預(yù)測(cè)方法，其特征在于利用持久性能數(shù)據(jù)偏離主曲線的程度來確定數(shù)據(jù)的分布曲線。
3.如權(quán)利要求1所述的高溫構(gòu)件材料的壽命及壽命消耗的預(yù)測(cè)方法，其特征在于利用設(shè)定可靠度所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)偏離主曲線的值，計(jì)算得到規(guī)定溫度、規(guī)定應(yīng)力下的壽命值。
4.如權(quán)利要求1所述的高溫構(gòu)件材料的壽命及壽命消耗的預(yù)測(cè)方法，其特征在于預(yù)定時(shí)間間隔除以按權(quán)利要求3所得到的壽命值產(chǎn)生的損耗值，表示在設(shè)定可靠度下預(yù)定時(shí)間間隔內(nèi)的壽命損耗。
5.如權(quán)利要求1所述的高溫構(gòu)件材料的壽命及壽命消耗的預(yù)測(cè)方法，其特征在于確定持久壽命數(shù)據(jù)范圍采用試驗(yàn)條件的應(yīng)力、溫度，而計(jì)算設(shè)定可靠度下的斷裂壽命則使用實(shí)際服役條件下的溫度和應(yīng)力。
6.如權(quán)利要求2所述的確定數(shù)據(jù)的分布曲線，其特征在于持久性能數(shù)據(jù)偏離主曲線的程度用下式表示Z＝Z0+C1logσ+C2log2σ+C3log3σ-P(σ)其中Z為持久性能數(shù)據(jù)偏離主曲線的程度；P(σ)＝f(T，tr)為溫度-時(shí)間參數(shù)；P(σ)＝Z0+C1logσ+C2log2σ+C3log3σ表示持久性能數(shù)據(jù)范圍的主曲線；σ為應(yīng)力，T為溫度，Z0、C1、C2、C3為常數(shù)。
7.如權(quán)利要求2所述的確定數(shù)據(jù)的分布曲線，其特征在于持久性能數(shù)據(jù)偏離主曲線的程度也可用下式表示Z＝Z0+Alogσ+Bσ-P(σ)其中Z為持久性能數(shù)據(jù)偏離主曲線的程度；P(σ)＝f(T，tr)為溫度-時(shí)間參數(shù)；P(σ)＝Z0+Alogσ+Bσ表示持久性能數(shù)據(jù)范圍的主曲線；σ為應(yīng)力，T為溫度，Z0、A、B為常數(shù)。
全文摘要
一種高溫構(gòu)件材料的壽命及壽命消耗的預(yù)測(cè)方法。本發(fā)明的特征是基于持久性能的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分布，進(jìn)行高溫構(gòu)件材料壽命的可靠性預(yù)測(cè)并計(jì)算在一定可靠度下的壽命損耗。本發(fā)明的效果及益處是可以利用在不同溫度和應(yīng)力下的持久性能數(shù)據(jù)，獲得較高置信度的可靠性分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)較高精度的高溫持久壽命及壽命損耗的可靠性預(yù)測(cè)。本發(fā)明所提出的方法適用于高溫構(gòu)件所用材料的壽命評(píng)估和延壽分析。
文檔編號(hào)G06F19/00GK1945269SQ20061004800
公開日2007年4月11日 申請(qǐng)日期2006年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月9日
發(fā)明者趙杰, 邢麗, 馮煒, 王來, 馬海濤, 黃明亮 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)