本發(fā)明屬于機械結(jié)構(gòu)的強度設(shè)計領(lǐng)域，涉及一種設(shè)計考核高溫旋轉(zhuǎn)構(gòu)件壽命與強度的雙判據(jù)圖方法，具體來說，涉及一種設(shè)計考核高溫和交變服役載荷下機械結(jié)構(gòu)的壽命和強度的雙判據(jù)圖方法。所述雙判據(jù)圖方法特別適用于航空發(fā)動機、燃氣輪機、壓縮機等設(shè)備中承受高溫和交變機械載荷的部件強度設(shè)計和安全性分析。

背景技術(shù)：

為符合節(jié)能降耗、高效環(huán)保的原則，電力、煉化、冶金以及航空等領(lǐng)域的設(shè)備呈現(xiàn)出更高溫度、更大壓力、更長服役時間的發(fā)展趨勢。如超超臨界電站單機組的功率已達1000MW以上，工作參數(shù)600-650℃/32-35MPa，設(shè)計壽命達30年；先進航空發(fā)動機渦輪前進口溫度高達1980-2080℃，推重比達到15-20以上，最長壽命超過4萬小時；目前致力發(fā)展的700℃火電、第4代核電技術(shù)也均是基于高溫高壓參數(shù)和長設(shè)計壽命。高溫旋轉(zhuǎn)構(gòu)件在服役條件下，由于轉(zhuǎn)速較高，離心力引起的平均應(yīng)力較高，而構(gòu)件的自重使旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生交變應(yīng)力。交變應(yīng)力相對于平均應(yīng)力較小，因此此類高溫旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的突出問題，是出現(xiàn)高平均應(yīng)力下的高溫高周疲勞問題。另外，由于設(shè)備的服役溫度較高，在高溫下，設(shè)備也面臨著蠕變問題。

現(xiàn)有的高溫旋轉(zhuǎn)構(gòu)件高周疲勞設(shè)計主要基于Goodman理論進行，包括獲取工況和材料參數(shù)對高溫旋轉(zhuǎn)構(gòu)件進行受力分析、利用Goodman公式進行高周疲勞損傷和壽命的計算，最后進行高溫旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的高周疲勞強度考核。然而，Goodman曲線的橫坐標截止點是材料的抗拉強度，而高溫下材料出現(xiàn)蠕變問題，其在高溫下的適用性有待商榷。同時，已有研究表明，Goodman曲線處理平均應(yīng)力對疲勞性能影響的方法偏于保守，不能充分利用材料的潛能，需要提出新的能更好地兼顧安全與經(jīng)濟性的設(shè)計方法。

中國專利申請CN201510586289.4“一種材料的蠕變-疲勞壽命預(yù)測方法”、CN201410140477.X“一種高溫多軸譜載下低周蠕變-疲勞壽命評估方法”、CN201310738774.X“一種基于壽命的高溫壓力容器蠕變疲勞強度設(shè)計方法”以及中國專利申請CN201310272042.6“一種大功率柴油機鋁合金活塞的蠕變-疲勞壽命預(yù)測方法”，日本專利JP2006044364“damage evaluation method by metal texture as to creep fatigue damage”、JP05171031“method for estimating superposed damage of creep and fatigue of high-temperature structure material”，歐洲專利申請CN20151586289(申請日為2015年09月15日)“Forecasting method for creep-fatigue life of material”、CN20141140477(申請日為2014年04月09日)“Low-cycle creep and fatigue life evaluation method under conditions of high temperature and multiaxial spectrum load”，要么側(cè)重于蠕變-疲勞交互作用機制下的壽命預(yù)測方法，要么聚焦蠕變-疲勞機制下結(jié)構(gòu)材料的損傷評價方法，過程復(fù)雜，未涉及蠕變疲勞失效機制下結(jié)構(gòu)強度的設(shè)計與安全評價問題。因此，本領(lǐng)域迫切需要一種簡單的、可操作性強且能夠反映結(jié)構(gòu)蠕變和疲勞失效機制的壽命與強度分析方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對高溫旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的高溫高周疲勞的問題，本發(fā)明提出一種設(shè)計考核高溫旋轉(zhuǎn)構(gòu)件壽命與強度的雙判據(jù)圖及其構(gòu)建方法，以及利用該雙判據(jù)圖來設(shè)計考核高溫旋轉(zhuǎn)構(gòu)件壽命與強度的雙判據(jù)圖方法，從而解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案。

在第一方面中，本發(fā)明提供一種構(gòu)建設(shè)計考核高溫旋轉(zhuǎn)構(gòu)件壽命與強度的雙判據(jù)圖的方法，所述方法可包括下述步驟：S₁、分別進行高溫旋轉(zhuǎn)構(gòu)件材料的高溫疲勞試驗和高溫旋轉(zhuǎn)構(gòu)件材料的蠕變試驗；S₂、結(jié)合高溫疲勞試驗，獲得材料在指定壽命下的疲勞強度，其中應(yīng)力比R＝-1及R＝0，且其中疲勞試驗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到設(shè)計數(shù)據(jù)時應(yīng)考慮數(shù)據(jù)的分散性因素，給予一個安全系數(shù)；S₃、根據(jù)蠕變試驗結(jié)果，獲得高溫旋轉(zhuǎn)構(gòu)件材料在指定壽命下的持久強度數(shù)據(jù)；S₄、根據(jù)步驟S₂中獲得的高溫旋轉(zhuǎn)構(gòu)件材料的疲勞數(shù)據(jù)，繪制設(shè)計考核高溫旋轉(zhuǎn)構(gòu)件壽命與強度的雙判據(jù)圖中的疲勞部分，以得到一根以平均應(yīng)力為橫坐標、以應(yīng)力幅為縱坐標的直線，具體參見圖4(a)和圖4(b)；S₅、根據(jù)步驟S₃中獲得的高溫旋轉(zhuǎn)構(gòu)件材料的持久強度數(shù)據(jù)，繪制設(shè)計考核高溫旋轉(zhuǎn)構(gòu)件壽命與強度的雙判據(jù)圖中的蠕變部分，具體參見圖4(a)和圖4(b)，所述蠕變部分作為步驟S₄中直線的截止線，且是一條垂直于作為橫坐標的平均應(yīng)力的直線。在圖4中，圖4(a)顯示同一壽命(N,t)不同溫度(T)下的雙判據(jù)圖；且圖4(b)顯示同一溫度(T)不同壽命(N，t)下的雙判據(jù)圖。

在一種實施方式中，在步驟S₂中，在已知材料的S-N曲線的情況下，可通過對S-N曲線進行內(nèi)插或外推得到材料指定壽命下的疲勞強度。

在一種實施方式中，步驟S₄可包括基于步驟S₂中獲得的應(yīng)力比為R＝-1和R＝0時對應(yīng)設(shè)計壽命下的疲勞數(shù)據(jù)，以平均應(yīng)力為橫坐標、以應(yīng)力幅為縱坐標繪制疲勞數(shù)據(jù)的結(jié)果，其中步驟S₄中的疲勞部分可通過下述式(1)表示，

在式(1)中，σ_m為平均應(yīng)力，σ_a為應(yīng)力幅，σ_-1表示設(shè)計壽命下R＝-1的疲勞強度，σ₀表示設(shè)計壽命下R＝0的疲勞強度。

在一種實施方式中，步驟S₅中的蠕變部分可通過下述式(2)表示，

σ_m＝σ(t,T) (2)

在式(2)中，σ_m為平均應(yīng)力，σ(t,T)為服役溫度和設(shè)計壽命下的持久強度，t表示服役時間，且T表示服役溫度；其中式(2)代表此時平均應(yīng)力等價于設(shè)計壽命下的持久強度。

在第二方面中，本發(fā)明提供一種利用如第一方面所述的方法構(gòu)建的設(shè)計考核高溫旋轉(zhuǎn)構(gòu)件壽命與強度的雙判據(jù)圖。

又在另一方面中，本發(fā)明提供一種利用如第二方面所述的設(shè)計考核高溫旋轉(zhuǎn)構(gòu)件壽命與強度的雙判據(jù)圖來設(shè)計考核高溫旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的壽命與強度的方法，所述方法可包括下述步驟：S₆、根據(jù)高溫旋轉(zhuǎn)構(gòu)件材料的性能參數(shù)和高溫旋轉(zhuǎn)構(gòu)件材料的服役參數(shù)，對高溫旋轉(zhuǎn)構(gòu)件進行應(yīng)力分析，得到高溫旋轉(zhuǎn)構(gòu)件在交變載荷作用下的平均應(yīng)力和應(yīng)力幅，確定高溫旋轉(zhuǎn)構(gòu)件在服役工況下的危險截面及危險點；S₇、將高溫旋轉(zhuǎn)構(gòu)件危險截面及危險點的平均應(yīng)力和應(yīng)力幅繪制到雙判據(jù)圖中，若以平均應(yīng)力為橫坐標且以應(yīng)力幅為縱坐標的點落在安全區(qū)域內(nèi)，則設(shè)計壽命內(nèi)該高溫旋轉(zhuǎn)構(gòu)件安全。

在一種實施方式中，在步驟S₆中，確定高溫旋轉(zhuǎn)構(gòu)件在服役工況下的危險截面及危險點可包括確定高溫旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的高平均應(yīng)力區(qū)和高應(yīng)力幅區(qū)。

在一種實施方式中，在步驟S₆中，所述旋轉(zhuǎn)構(gòu)件材料性能參數(shù)可包括線膨脹系數(shù)α、旋轉(zhuǎn)構(gòu)件材料的彈性模量E、泊松比μ和材料密度ρ，且所述高溫旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的服役參數(shù)可包括轉(zhuǎn)速、熱邊界和位移邊界。

在一種實施方式中，在步驟S₆中，可通過材料性能數(shù)據(jù)庫查詢或進行相應(yīng)的試驗測試獲得所述旋轉(zhuǎn)構(gòu)件材料的性能數(shù)據(jù)。

在一種實施方式中，在步驟S₇中，若以平均應(yīng)力為橫坐標且以應(yīng)力幅為縱坐標的點沒有落在安全區(qū)域內(nèi)，則可修改設(shè)計方案并返回步驟S₆進行再次分析。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于設(shè)計考核過程簡單、可操作性強，且考核結(jié)果可靠，有望最終運用于高溫下旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的高周疲勞壽命考核與評價。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的較佳實施實例的流程框圖。

圖2為本發(fā)明高溫旋轉(zhuǎn)構(gòu)件材料設(shè)計溫度下S-N曲線示意圖。

圖3為本發(fā)明高溫旋轉(zhuǎn)構(gòu)件材料不同溫度下持久強度示意圖。

圖4為本發(fā)明高溫旋轉(zhuǎn)構(gòu)件壽命與強度設(shè)計考核的雙判據(jù)圖示意圖，其中圖4(a)顯示同一壽命(N,t)不同溫度(T)下的雙判據(jù)圖；且圖4(b)顯示同一溫度(T)不同壽命(N，t)下的雙判據(jù)圖。在圖4中，T表示設(shè)計溫度，t表示設(shè)計壽命，N表示相應(yīng)設(shè)計壽命下的循環(huán)次數(shù)。

圖5為本發(fā)明實施實例有限元分析結(jié)果圖，其中圖5(a)顯示轉(zhuǎn)軸的溫度場；圖5(b)顯示考核部位的平均應(yīng)力；圖5(c)顯示考核部位的應(yīng)力幅；且圖5(d)顯示進行考核的具體路徑。

圖6為本發(fā)明實例考核結(jié)果圖。

圖7為本發(fā)明方法與其它常用方法對實施例進行考核的對比圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明較佳實施方式，以詳細說明本發(fā)明的技術(shù)方案，給出實施例。但是應(yīng)該指出，本發(fā)明的實施不限于以下的實施方式。

實施例1

某旋轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)速3000轉(zhuǎn)/分鐘，設(shè)計壽命30年，材料為鐵素體耐熱鋼，現(xiàn)需要對其穩(wěn)定工作情況下溫度范圍為600-613℃區(qū)域的高周疲勞強度進行考核(參見圖1)。

(1)對該轉(zhuǎn)軸材料分別進行了高溫疲勞試驗和蠕變試驗，獲得了考核溫度下應(yīng)力比R＝-1以及R＝0的S-N曲線，如圖2所示。同時得到了考核溫度下的持久強度曲線，如圖3所示。

(2)根據(jù)得到的S-N曲線，獲得10⁷壽命下應(yīng)力比R＝-1以及R＝0時的疲勞強度，再利用式(3)進行壽命外推，得到設(shè)計壽命為4×10¹⁰循環(huán)周次下的疲勞強度值，分別為96MPa(R＝-1)和72MPa(R＝0)，同時考慮到疲勞數(shù)據(jù)的分散性等因素，根據(jù)ASME中的方法，將得到的疲勞強度值除以2得到設(shè)計疲勞強度，分別為48MPa(R＝-1)和36MPa(R＝0)。

S_a^mN＝C (3)

在式(3)中，S_a表示應(yīng)力幅，C和m是與材料和服役工況有關(guān)的常數(shù)。

(3)根據(jù)蠕變試驗得到的持久強度曲線，得到613℃、10⁵小時壽命下的持久強度為100MPa。

(4)根據(jù)步驟(2)中得到的疲勞強度設(shè)計值繪制設(shè)計考核高溫旋轉(zhuǎn)構(gòu)件壽命與強度的雙判據(jù)圖中疲勞部分，即以平均應(yīng)力為橫坐標，以應(yīng)力幅為縱坐標，將(2)中獲得的應(yīng)力比R＝-1以及R＝0設(shè)計壽命下的疲勞數(shù)據(jù)繪制在直角坐標系中，連接兩點得到一條直線，相應(yīng)的表達式如式(4)所示。

在式(4)中，σ_a為應(yīng)力幅，且σ_m為平均應(yīng)力。

(5)根據(jù)步驟(3)中獲得的高溫旋轉(zhuǎn)構(gòu)件材料的持久強度數(shù)據(jù)繪制設(shè)計考核高溫旋轉(zhuǎn)構(gòu)件壽命與強度的雙判據(jù)圖中蠕變部分。該蠕變部分作為(4)中直線的截止線，如式(5)所示。構(gòu)建的雙判據(jù)圖見圖6中的實線。

σ_m＝100MPa (5)

(6)轉(zhuǎn)軸的位移邊界和熱邊界由設(shè)計給出，由得到的位移邊界和熱邊界經(jīng)軟件ABAQUS6.10進行有限元分析得到轉(zhuǎn)軸的溫度場和應(yīng)力場。參見圖5(a)，根據(jù)分析結(jié)果對轉(zhuǎn)軸600-613℃區(qū)域的高周疲勞強度進行考核，該部位的平均應(yīng)力參見圖5(b)，應(yīng)力幅參見圖5(c)，在該部位選取了幾條不同的路徑進行考核，具體路徑參見圖5(d)。

(7)將步驟(6)中考核區(qū)域的平均應(yīng)力和應(yīng)力幅繪制到步驟(3)和(4)中得到的設(shè)計考核高溫旋轉(zhuǎn)構(gòu)件壽命與強度的雙判據(jù)圖內(nèi)，結(jié)果參見圖6。由圖6可以看出，所有的數(shù)據(jù)點都落在高溫旋轉(zhuǎn)構(gòu)件壽命與強度設(shè)計考核的雙判據(jù)圖的安全區(qū)域內(nèi)，因此該轉(zhuǎn)軸在設(shè)計壽命下高周疲勞強度滿足要求。

對比例1

分別用本領(lǐng)域常見的方法即Goodman方法、Soderberg方法、Gerber方法來設(shè)計考核與實施例1相同的材料，考核結(jié)果參見圖7。圖7給出了本發(fā)明提出的雙判據(jù)圖方法與其它常用方法的比較結(jié)果圖，從圖7中可以看出，與本發(fā)明所提出的雙判據(jù)圖相比，其它方法明顯偏離試驗數(shù)據(jù)點，因此其它方法在高溫下的應(yīng)用明顯受到限制，故而本發(fā)明所提出的雙判據(jù)圖在高溫下的適用性明顯優(yōu)于其它方法。

上述所列的實施例僅僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非用來限定本發(fā)明的實施范圍。即凡依據(jù)本發(fā)明申請專利范圍的內(nèi)容所作的等效變化和修飾，都應(yīng)為本發(fā)明的技術(shù)范疇。

在本發(fā)明提及的所有文獻都在本申請中引用作為參考，就如同每一篇文獻被單獨引用作為參考那樣。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明的上述講授內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。