蠕變-熱疲勞可靠壽命預(yù)測的若干問題研究.pdf

1、隨著航空航天、能源和化學(xué)工業(yè)的發(fā)展,高溫設(shè)備的應(yīng)用越來越廣泛。這些設(shè)備在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中受到蠕變損傷,在起動-停車或工況突變時受到熱疲勞或熱機(jī)械疲勞損傷,潛在危險性極大,一旦發(fā)生事故往往是災(zāi)難性的。因此蠕變-疲勞交互作用下設(shè)備的安全性、可靠性等問題伴隨著動力機(jī)械、化工機(jī)械與宇航事業(yè)的發(fā)展日益突出,高溫構(gòu)件的損傷評估和壽命預(yù)測是當(dāng)前需要研究的重要領(lǐng)域。
　　 根據(jù)受載方式,蠕變-疲勞可分為蠕變-熱機(jī)械疲勞和蠕變-熱疲勞。蠕變-熱機(jī)械疲勞

2、更廣泛地存在于動力機(jī)械中,受到國內(nèi)外學(xué)者的高度重視,目前已經(jīng)有很多種壽命預(yù)測方法被提出。蠕變-熱疲勞主要存在于發(fā)動機(jī)缸蓋以及高溫設(shè)備的熱交換管道,專門用于蠕變-熱疲勞試驗和壽命預(yù)測的方法卻少有報道。本文根據(jù)蠕變-熱疲勞的特性,研究了與蠕變-熱疲勞裂紋起始壽命和擴(kuò)展壽命相關(guān)的幾個方面的問題,并取得以下成果:
　　 1.分析了蠕變-熱疲勞交互作用的力學(xué)機(jī)理,提出了把蠕變-熱疲勞等效為恒定應(yīng)力幅和平均應(yīng)力的熱機(jī)械疲勞,從而進(jìn)行壽命預(yù)測

3、的方法。熱機(jī)械疲勞試驗不需要保溫,裝置簡單,效率高,便于提供失效數(shù)據(jù),因此本文提出的基于等效試驗的蠕變-熱疲勞壽命預(yù)測方法有較好的應(yīng)用前景。對ZL111材料進(jìn)行了熱機(jī)械疲勞試驗,繪制了P-S-W曲線,研究了其蠕變-熱疲勞裂紋起始的可靠壽命預(yù)測方法。
　　 2.蠕變-熱機(jī)械疲勞裂紋在循環(huán)外力作用下張開,保溫過程中裂紋張開位移在蠕變的作用下繼續(xù)增長,因此蠕變-熱機(jī)械疲勞裂紋擴(kuò)展可分為疲勞損傷與蠕變損傷引起裂紋擴(kuò)展的疊加。通過有限元計

4、算發(fā)現(xiàn)蠕變-熱疲勞裂紋與此不同:蠕變-熱疲勞裂紋在加熱和保溫過程中閉合,在降溫過程的后期逐漸張開。此時裂紋附近材料的溫度已經(jīng)降低到蠕變溫度以下,因此蠕變裂紋的控制參量C*不適用于蠕變-熱疲勞裂紋,應(yīng)力強(qiáng)度因子和J積分可作為蠕變-熱疲勞裂紋的控制參量。蠕變-熱疲勞裂紋在卸載時張開,并且周圍殘留了壓縮塑性應(yīng)變,這些不滿足J積分路徑無關(guān)的條件。對J積分計算方法進(jìn)行了改進(jìn),提出了適用于蠕變-熱疲勞裂紋的J積分計算方法。對ZL111材料進(jìn)行了裂紋

5、擴(kuò)展試驗,研究了其裂紋擴(kuò)展的可靠壽命計算方法。
　　 3.通過對熱疲勞斜裂紋的研究發(fā)現(xiàn):在加熱過程和冷卻過程的前期,熱疲勞斜裂紋是純Ⅱ型,在冷卻過程的后期是Ⅰ、Ⅱ混合型;熱疲勞斜裂紋的等效應(yīng)力強(qiáng)度因子Ke隨著裂紋傾斜角β增加而增長,因此同樣條件下的熱疲勞斜裂紋較直裂紋更危險。
　　 4.受熱疲勞損傷的零件表面易形成熱疲勞裂紋網(wǎng),裂紋網(wǎng)中主裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子可反映構(gòu)件的損傷程度,由于裂紋間的屏蔽效應(yīng),直接計算裂紋網(wǎng)中主裂紋

6、的應(yīng)力強(qiáng)度因子是困難的。研究了熱疲勞裂紋網(wǎng)屏蔽效應(yīng)的規(guī)律,提出了利用該規(guī)律計算主裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子的方法。
　　 5.提出了用響應(yīng)面方法構(gòu)建極限狀態(tài)函數(shù)并進(jìn)行可靠性靈敏度分析的方法,推導(dǎo)了計算公式。該方法的優(yōu)點(diǎn)是:(1)可用于極限狀態(tài)函數(shù)未知的情況。(2)此極限狀態(tài)函數(shù)是形式簡單的二次多項式,便于實(shí)現(xiàn)方差和偏導(dǎo)計算,使可靠性靈敏度的計算簡單易行。(3)該極限狀態(tài)函數(shù)包括一、二次項和交叉項的信息,使可靠性靈敏度的計算精度大大提高。(

7、4)通用、規(guī)范,易于實(shí)現(xiàn)程序化。以裂紋傾斜角、加熱的最高溫度、裂紋的屏蔽剩余百分?jǐn)?shù)以及材料的斷裂韌性為隨機(jī)變量,計算了模型不發(fā)生斷裂的可靠性靈敏度。
　　 6.自主設(shè)計制造了用于鋁合金方形試樣的熱疲勞試驗機(jī),主要由紅外線加熱裝置、液氣混合冷卻系統(tǒng)、夾持機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)等部分組成。該機(jī)可用于測試:(1)各種材料抵抗熱疲勞的能力;(2)各種加工方法對熱疲勞壽命的影響;(3)試驗溫度和溫度變化率對熱疲勞壽命的影響;(4)鍍膜對熱疲勞壽命