個(gè)條件通過從材料分布和裂隙尺寸分布提取值來限定。對于這些大量的表示的每一個(gè)執(zhí)行 斷裂力學(xué)分析（例如，LEFM或其擴(kuò)展，諸如IPZE或FAD)，其基于裂紋生長的計(jì)算確定，這些 表示的每一個(gè)在給定數(shù)量的周期N之后是否失效。從中，通過確定在N個(gè)周期之后失效的 表示的數(shù)量Nf，并且將數(shù)量Nf除以表示的總數(shù)S，來確定PoF(N)。
[0078] 示出的實(shí)施例特別地適合于重型工業(yè)燃汽輪機(jī)和蒸汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的鍛造的轉(zhuǎn) 子部件的疲勞裂紋壽命估計(jì)。本發(fā)明也可以應(yīng)用于重型工業(yè)渦輪機(jī)的其他部件，諸如葉片、 翼、轉(zhuǎn)換導(dǎo)管、套管組件等，以及應(yīng)用于其它部件，諸如較小的工業(yè)燃汽輪機(jī)的部件、航空引 擎、飛行器、風(fēng)力渦輪機(jī)部分諸如葉片、壓力容器和管道，半導(dǎo)體電子器件諸如微型芯片等。
[0079] 在示出的實(shí)施例中，用于確定失效的標(biāo)準(zhǔn)是裂紋不穩(wěn)定性。裂紋從內(nèi)在的裂縫、諸 如在鍛件中的預(yù)先存在裂縫而集結(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)周期加載期間，例如在引擎的一個(gè)啟動和關(guān)閉或運(yùn)行條件的其他改變期間，裂 紋遞增地生長直到達(dá)到當(dāng)裂紋生長變得不穩(wěn)定并且影響部件的結(jié)構(gòu)完整性的臨界裂紋尺 寸，這導(dǎo)致部件的失效。這樣的失效可以通過計(jì)算裂紋生長來確定，例如通過如圖1所示的 半橢圓形表面裂紋模型?？梢越?jīng)驗(yàn)地或?qū)嶒?yàn)地確定臨界裂紋尺寸。
[0080] 參考圖1，半橢圓形表面裂紋通過兩個(gè)半軸a和c表示。在圖2中示出在一個(gè)周期 疲勞裂紋計(jì)算期間對于這樣的表面裂紋模型的最大應(yīng)力強(qiáng)度演變。在圖2中，Y軸表示了 最大應(yīng)力強(qiáng)度K，而X軸表示了周期數(shù)量。曲線21和22分別表示了沿著軸c和a的最大應(yīng) 力強(qiáng)度演變。斷裂韌度I。通過點(diǎn)線23表示。如可以看出的，當(dāng)沿著任意軸a或c的最大 應(yīng)力強(qiáng)度超過斷裂韌度值時(shí)，裂紋變得不穩(wěn)定。發(fā)生所述情況時(shí)的周期的數(shù)量是疲勞裂紋 壽命。這通過虛線24示出。
[0081] 圖3示出了對于上述表面裂紋模型在周期疲勞裂紋計(jì)算期間的裂紋尺寸演變。在 此，Y軸表示了裂紋尺寸，而X軸表示了周期數(shù)量。曲線31和32分別表示沿著軸c和a的 裂紋尺寸演變。疲勞裂紋壽命通過豎直虛線33示出。
[0082] 盡管在此示出了表面裂紋模型，但是深埋裂紋或角裂的疲勞裂紋生長計(jì)算是類似 的，只是使用不同應(yīng)力強(qiáng)度因子的解決方案。
[0083] 如上所述，通過LEFM確定裂紋力學(xué)壽命取決于一定的材料特性的知識，其至少包 括斷裂韌度I。和裂紋生長率da/dN。LEFM的擴(kuò)展，諸如FAD或IPZE合并了其他材料特性 諸如屈服強(qiáng)度（RP02)和/或極限屈服強(qiáng)度（RM)和/或楊氏模量（E)。此外，需要已知初始 裂隙尺寸以執(zhí)行LEFM計(jì)算。如在此使用的術(shù)語"裂隙尺寸"是指在周期性加載開始之前的 初始的或預(yù)先存在的裂隙尺寸。
[0084] 再次，如上所述，材料特性和裂隙尺寸具有內(nèi)在的離散，例如，由于制造過程的復(fù) 雜性。在圖4-7中示出與燃汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子鋼部件有關(guān)的示例離散數(shù)據(jù)，其中示出測量的實(shí) 際值，以及部件的平均值材料特性曲線（預(yù)測的值）。實(shí)際值可以包括例如來自于材料測試 的數(shù)據(jù)或基于材料數(shù)據(jù)到分布的擬合而附加的輔助（bootstrapped)數(shù)據(jù)。
[0085] 圖4示出了斷裂韌度的離散數(shù)據(jù)（即實(shí)際值）的例子，也示出了斷裂韌度均值曲 線。在此，Y軸表示了斷裂韌度，而X軸表示了溫度。均值斷裂韌度曲線被表示為41，而實(shí) 際數(shù)據(jù)被表示為42。
[0086] 圖5示出了裂紋生長的離散數(shù)據(jù)（即實(shí)際值）的例子，也示出了裂紋生長均值曲 線。在此，Y軸表示了裂紋生長da/dN，而X軸表示了應(yīng)力強(qiáng)度中的變化dK。曲線51表示 了在T = 20C，R = 0. 5處的裂紋生長均值曲線。曲線52表示了在T = 300C，R = 0. 1處的 裂紋生長均值曲線。曲線53表示了在T = 20C，R = 0.1處的裂紋生長均值曲線。曲線54 表示了在T = 20C，R = -1處的裂紋生長均值曲線。實(shí)際數(shù)值位于T = -40C，R = 0. 1。在 此T =溫度并且R = R-比率[應(yīng)力最小值/應(yīng)力最大值]。
[0087]圖6示出了彈性模量或楊氏模量的離散值（即實(shí)際值）的例子，也示出了彈性模 量均值曲線。在此Y軸表示了彈性模量，而X軸表示了溫度。均值彈性模量曲線被表示為 61，而實(shí)際數(shù)據(jù)被表不為62。
[0088] 圖7示出了屈服強(qiáng)度和極限屈服強(qiáng)度的離散數(shù)據(jù)（即實(shí)際值）的例子，也示出了 屈服強(qiáng)度和極限屈服強(qiáng)度均值曲線。在此Y軸表示了屈服強(qiáng)度和極限屈服強(qiáng)度，而X軸表 示了溫度。均值屈服強(qiáng)度曲線被表示為71，而實(shí)際數(shù)據(jù)被表示為72。均值極限屈服強(qiáng)度曲 線被表示為73,而實(shí)際數(shù)據(jù)被表示為74。
[0089] 現(xiàn)有技術(shù)的方法不考慮材料特性數(shù)據(jù)的離散，而是取而代之考慮這些特性的值 (如圖4-7中所示）或有時(shí)甚至各自的特性的最大值或最小值，其結(jié)合了期望的安全性因 子。此外，現(xiàn)有技術(shù)的方法都沒有結(jié)合裂隙尺寸中的離散。
[0090] 相反，本發(fā)明的實(shí)施例結(jié)合了所有材料特性分布、裂隙尺寸分布和部件位置。
[0091] 圖8示意性示出了按照本發(fā)明的一種實(shí)施例用于基于直接仿真概率性斷裂力學(xué) 對部件的疲勞裂紋壽命估計(jì)的系統(tǒng)80。示出的系統(tǒng)80是包括了存儲器81、處理裝置82和 輸入-輸出設(shè)備83的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。存儲器81存儲所有材料特性離散數(shù)據(jù)（如在圖4-7中 所示）和裂隙尺寸離散數(shù)據(jù)。此外，存儲器81也可以存儲應(yīng)力-溫度場。處理裝置82包 括可以在硬件和/或軟件中，通常是二者的組合中實(shí)現(xiàn)的多個(gè)功能塊或模塊。這些模塊包 括斷裂力學(xué)模塊85、FEA模塊88、計(jì)算模塊85、I/O模塊86、和多個(gè)庫87,包括處理應(yīng)力/ 溫度場的存儲器管理的庫，處理材料特性的庫、用于處理NDE (諸如超聲波）和裂隙信息的 庫，和高性能查詢表庫。庫可以被鏈接到一起成為可執(zhí)行的。參考在圖9中示出的流程圖 描述這些函數(shù)塊的操作。
[0092] 圖9示出了按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于基于直接仿真概率性斷裂力學(xué)的裂 紋壽命估計(jì)的方法90。方法90使用材料特性和裂隙尺寸以及應(yīng)力和溫度場的離散數(shù)據(jù)。 這可以包括例如材料裂紋生長da/dN (dK)分布90a、瞬態(tài)FEA溫度分布90a、瞬態(tài)FEA應(yīng)力 分布90b，和斷裂韌度Kle(T)分布90d。附加的離散數(shù)據(jù)可以包括楊氏模量E(T)分布90e， 極限屈服強(qiáng)度RM(T)分布90f和屈服強(qiáng)度RP02 (T)分布90g。
[0093] 方法也使用關(guān)于裂隙尺寸的離散數(shù)據(jù)，包括NDE指示的尺寸（KSR)分布90h，NDE 技術(shù)90i的分布概率（PoD)和轉(zhuǎn)換因子（k = TFS/KSR)分布90j。
[0094]再參考圖8，上面提到的離散數(shù)據(jù)可以被存儲在存儲器81中并且由各自的庫87處 理。從材料特性和裂隙尺寸離散數(shù)據(jù)中，可以描述部件的大量表示（通常是百萬到萬億的 數(shù)量級）。每個(gè)表示通過與部件相關(guān)聯(lián)的一個(gè)可能的材料條件和裂隙尺寸條件定義，每個(gè)條 件被配置為從所述分布（離散）數(shù)據(jù)中提取值。
[0095] 再參考圖9,在塊91a，基于部件的材料條件產(chǎn)生部件的臨界瞬態(tài)圖。臨界瞬態(tài)圖 表示了部件的應(yīng)力和溫度分布，其中每個(gè)部件位置被分配臨界應(yīng)力值和臨界溫度值。這可 以例如通過圖1的FEA模塊執(zhí)行。
[0096] 在評定瞬態(tài)問題的情況中，諸如引擎的啟動-關(guān)閉周期，需要識別在周期期間在 部件之內(nèi)對于每個(gè)位置r的臨界應(yīng)力和溫度狀態(tài)。一般地，這些臨界