用于概率性疲勞裂紋壽命估計(jì)的方法和系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于對(duì)遭受周期性應(yīng)力的部件的疲勞裂紋壽命進(jìn)行概率性估計(jì) 的方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在技術(shù)系統(tǒng)的多個(gè)應(yīng)用中，部分或部件可能遭受機(jī)械的和熱的應(yīng)力，所述應(yīng)力隨 時(shí)間交替或改變。在這樣的情況中單個(gè)的部分通過發(fā)生壓縮力或拉伸力例如可能遭受直接 的機(jī)械應(yīng)力。另一方面例如對(duì)于渦輪機(jī)系統(tǒng)中，特別是在燃?xì)廨啓C(jī)中的部分或部件，當(dāng)燃汽 輪機(jī)啟動(dòng)或關(guān)閉時(shí)，產(chǎn)生該類型的時(shí)變熱應(yīng)力。
[0003] 極端的機(jī)械的以及熱的周期加載導(dǎo)致材料疲勞，所述材料疲勞在許多情況中限制 部件的壽命。一般地，在周期加載下疲勞裂紋生長（FCG)時(shí)常是部件的壽命限制機(jī)理。小 的裂紋典型地從內(nèi)在的裂縫、諸如在鍛件中的預(yù)先存在裂隙而集結(jié)，或通過其他裂紋開始 機(jī)理、諸如低周期疲勞（LCF)而開始。在每個(gè)周期期間，典型地在引擎的一個(gè)啟動(dòng)和關(guān)閉或 運(yùn)行條件的其他改變期間，小的裂紋遞增地生長而不影響部件的結(jié)構(gòu)完整性。這稱為穩(wěn)定 裂紋生長。當(dāng)裂紋尺寸達(dá)到臨界尺寸時(shí)，裂紋生長變得不穩(wěn)定并且部件發(fā)生失效。發(fā)生這 時(shí)的周期N被稱為部件的疲勞裂紋壽命?？梢酝ㄟ^線彈性斷裂力學(xué)（LEFM)與通過有限元 分析（FEA)所估計(jì)的部件的合適的瞬態(tài)應(yīng)力場相結(jié)合來估計(jì)裂紋生長。
[0004] 在LEFM中，對(duì)于估計(jì)斷裂力學(xué)極其重要的材料特性是斷裂韌度（Kle (T))和裂紋生 長率（da/dN(K，T，R))，其中da =裂紋尺寸增量，dN =周期增量，AK =表征應(yīng)力周期的應(yīng) 力強(qiáng)度因子差，T =溫度，R = R-比率[應(yīng)力最小值/應(yīng)力最大值]。對(duì)非線性效應(yīng)進(jìn)行考 慮的LEFM的擴(kuò)展，附加地要求拉伸特性，諸如屈服強(qiáng)度（RP02)、極限屈服強(qiáng)度（RM)，和楊氏 模量。這些擴(kuò)展的已知例子是失效評(píng)定圖（FAD)和Irwin塑性區(qū)的擴(kuò)展（IPZE)。
[0005] 此外，需要已知初始裂隙尺寸以執(zhí)行LEFM計(jì)算。一旦已知這些參數(shù)，可以通過利 用例如橢圓形嵌入的或半橢圓形的表面裂紋的板塊解逼近裂紋來計(jì)算疲勞裂紋壽命N。
[0006] 測量顯示，所有這些材料特性和初始裂隙尺寸由于制造部分的復(fù)雜性而具有固有 的離散。此外，材料特性的老化強(qiáng)烈取決于個(gè)體部件運(yùn)行、初始材料微結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成并且 由此導(dǎo)致在老化的部件的材料特性中的不同離散。由于材料特性和初始裂隙尺寸中的不確 定性，對(duì)斷裂力學(xué)壽命的估計(jì)是復(fù)雜的。由此，對(duì)于許多部件，甚至沒有設(shè)計(jì)疲勞裂紋生長， 或做出極其保守的假設(shè)。這可以導(dǎo)致非常保守的設(shè)計(jì)，其不使用部件的所有潛力。
[0007] 以下描述疲勞裂紋壽命計(jì)算的兩種現(xiàn)有技術(shù)方法。
[0008] 第一方法涉及基于最小值/最大值材料特性和裂隙尺寸，計(jì)算確定性斷裂力學(xué)壽 命。該方法落入所謂的安全壽命設(shè)計(jì)原理并且主要用于基于陸地的重型燃汽輪機(jī)和蒸汽輪 機(jī)。在該方法中，使用對(duì)材料特性和初始裂隙尺寸的保守估計(jì)。例如，通過最小曲線來估 計(jì)斷裂韌度（U，其中大多數(shù)測量的數(shù)據(jù)具有較大的&。值。對(duì)于裂紋生長率（da/dN)，估 計(jì)最大值曲線，其中大多數(shù)測量的數(shù)據(jù)具有較小的值。裂隙尺寸典型地通過非破壞性檢查 (NDE)技術(shù)的辨析來估計(jì)，所述非破壞性檢查技術(shù)在部件在引擎中被使用之前或在壽命時(shí) 間延伸期間（LTE)被執(zhí)行。
[0009] 利用上面描述的"最差情況"假設(shè)，可以對(duì)于部件的一個(gè)位置，通過LEFM，或前面提 到的擴(kuò)展，諸如FAD和IPZE分析，保守地估計(jì)疲勞裂紋壽命N。位置提供對(duì)于LEFM分析的 應(yīng)力/溫度輸入。按照如下選擇該位置，或有時(shí)候是多個(gè)位置，使得其是限制壽命的位置， 即，具有最大的應(yīng)力值和幅度。裂紋生長變得不穩(wěn)定時(shí)的周期數(shù)量N然后被假定為是部件 的疲勞裂紋壽命。然而有時(shí)候，對(duì)N或其他地方應(yīng)用另外的安全因子。
[0010] 這樣的確定性斷裂力學(xué)計(jì)算的缺點(diǎn)是，部件的質(zhì)量僅基于部件的單個(gè)或一些位置 和最小/最大材料特性。根本沒有使用關(guān)于材料數(shù)據(jù)和裂隙尺寸散布的信息。此外，由于 輸入?yún)?shù)的離散，仍然會(huì)有非常低的失效概率（P〇F)，部件對(duì)于計(jì)算的周期數(shù)量N具有所述 失效概率。P〇F不是通過確定性方法確定的，因?yàn)槠鋬H使用最小/最大特性/裂隙尺寸估 計(jì)。
[0011] 第二方法涉及基于裂隙尺寸分布和探查間隔的分布進(jìn)行的概率性斷裂力學(xué)計(jì)算。 這特別地用在航空引擎工業(yè)中。為此，已經(jīng)開發(fā)了一種工具DARWIN?(Design Assessment of Reliability With Inspection(可靠性設(shè)計(jì)評(píng)估和探查）），其計(jì)算累積的失效概率 (P〇F)與周期N的函數(shù)關(guān)系。該方法著重于探查間隔、初始裂隙尺寸分布、和不同任務(wù)，諸 如啟動(dòng)、爬升、在不同高度巡航、飛行中改變高度、復(fù)飛等的混合的影響。該方法不考慮材料 特性變化。然而用戶可以加上壽命分布的寬度<N>。壽命分布的該寬度可以通過一系列復(fù) 雜測試來估計(jì)，所述測試將在不同加載條件下的所有個(gè)體材料離散進(jìn)行組合或?qū)挾日J(rèn)為 不是重要的并且設(shè)置為0。用戶然后必須定義在有限元模型（FEM)內(nèi)的有限數(shù)量的空間區(qū) 域。在這些區(qū)域的每個(gè)中定義一個(gè)裂紋并且執(zhí)行有限數(shù)量的LEFM疲勞裂紋生長計(jì)算，其 表示可能的裂隙尺寸分布。每個(gè)區(qū)域i由此被分配一個(gè)失效概率P〇F(N，i)，然后基于個(gè)體 PoF(N, i)的復(fù)雜求和計(jì)算總PoF(N)。執(zhí)行的LEFM計(jì)算的總數(shù)受到限制，因?yàn)樯婕霸谟?jì)算 上的問題并且執(zhí)行時(shí)間增加。對(duì)于低的P〇F，這可以導(dǎo)致在PoF的估計(jì)中的誤差，因?yàn)槭?表面的細(xì)節(jié)可能沒有被正確地辨析。
[0012] 第二方法的缺點(diǎn)是，其沒有考慮個(gè)體材料離散并且通過一個(gè)代表性裂紋評(píng)價(jià)每個(gè) 區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)，即，用戶將裂紋放置在每個(gè)區(qū)域中的一個(gè)位置中，其認(rèn)為所述位置對(duì)于整個(gè)區(qū) 域是表示性的。因此，必須執(zhí)行區(qū)域-細(xì)分收斂檢查來看結(jié)果是否仍取決于區(qū)域尺寸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明的目標(biāo)是，提供改進(jìn)的技術(shù)，用于概率性疲勞裂紋壽命估計(jì)，其避免上面提 到的現(xiàn)有技術(shù)的至少一些缺點(diǎn)。
[0014] 上述目標(biāo)通過獨(dú)立權(quán)利要求的特征實(shí)現(xiàn)。其他有利擴(kuò)展通過從屬權(quán)利要求提供。
[0015] 與上面提到的現(xiàn)有技術(shù)不同，本發(fā)明考慮在材料特性以及在裂隙尺寸二者中的離 散。為此，提出的方法合并了所有材料特性分布、裂隙尺寸分布和部件位置，以確定失效概 率PoF (N)，其是對(duì)于N個(gè)周期的累積的失效風(fēng)險(xiǎn)。在示出的實(shí)施例中，使用的失效標(biāo)準(zhǔn)是裂 紋不穩(wěn)定性。這與裂紋開始的失效標(biāo)準(zhǔn)是不同的。
[0016] 提到的方法限定了大量樣本或部件表示。每個(gè)樣本是部件的表示，其通過從部件 的材料特性離散數(shù)據(jù)和裂隙尺寸離散數(shù)據(jù)獲得的、部件的一個(gè)可能的材料條件和裂隙尺寸 條件限定。在一個(gè)實(shí)施例中，提出的方法通過蒙特卡洛方法實(shí)現(xiàn)。在示例情況中，這樣的表 示的數(shù)量將處于百萬至萬億的范圍中?？梢约俣?，每個(gè)個(gè)體表示具有相同的發(fā)生概率（微 正則系綜）。表示的每個(gè)條件通過從個(gè)體材料特性分布（或離散數(shù)據(jù)）提取值來配置。在 示出的實(shí)施例中，裂隙位置分布被假定為常數(shù)，即，部件中的每個(gè)體積元具有缺陷的概率相 同。
[0017] 對(duì)于每個(gè)個(gè)體表示，選擇部件位置。然后基于在選擇的位置中的裂紋生長的確定 來判斷所述個(gè)體表示在給定數(shù)量周期N之后是否失效?；谶x擇的位置中的材料條件和裂 隙尺寸條件確定裂紋生長。如果裂紋生長被確定為是不穩(wěn)定的，則判斷個(gè)體表示失效。