蠕变—热疲劳可靠寿命预测的若干问题研究

论文摘要

随着航空航天、能源和化学工业的发展,高温设备的应用越来越广泛。这些设备在稳态运行中受到蠕变损伤,在起动-停车或工况突变时受到热疲劳或热机械疲劳损伤,潜在危险性极大,一旦发生事故往往是灾难性的。因此蠕变-疲劳交互作用下设备的安全性、可靠性等问题伴随着动力机械、化工机械与宇航事业的发展日益突出,高温构件的损伤评估和寿命预测是当前需要研究的重要领域。根据受载方式,蠕变-疲劳可分为蠕变-热机械疲劳和蠕变-热疲劳。蠕变-热机械疲劳更广泛地存在于动力机械中,受到国内外学者的高度重视,目前已经有很多种寿命预测方法被提出。蠕变-热疲劳主要存在于发动机缸盖以及高温设备的热交换管道,专门用于蠕变-热疲劳试验和寿命预测的方法却少有报道。本文根据蠕变-热疲劳的特性,研究了与蠕变-热疲劳裂纹起始寿命和扩展寿命相关的几个方面的问题,并取得以下成果：1.分析了蠕变-热疲劳交互作用的力学机理,提出了把蠕变-热疲劳等效为恒定应力幅和平均应力的热机械疲劳,从而进行寿命预测的方法。热机械疲劳试验不需要保温,装置简单,效率高,便于提供失效数据,因此本文提出的基于等效试验的蠕变-热疲劳寿命预测方法有较好的应用前景。对ZL111材料进行了热机械疲劳试验,绘制了P-S-N曲线,研究了其蠕变-热疲劳裂纹起始的可靠寿命预测方法。2.蠕变-热机械疲劳裂纹在循环外力作用下张开,保温过程中裂纹张开位移在蠕变的作用下继续增长,因此蠕变-热机械疲劳裂纹扩展可分为疲劳损伤与蠕变损伤引起裂纹扩展的叠加。通过有限元计算发现蠕变-热疲劳裂纹与此不同：蠕变-热疲劳裂纹在加热和保温过程中闭合,在降温过程的后期逐渐张开。此时裂纹附近材料的温度已经降低到蠕变温度以下,因此蠕变裂纹的控制参量C*不适用于蠕变-热疲劳裂纹,应力强度因子和J积分可作为蠕变-热疲劳裂纹的控制参量。蠕变-热疲劳裂纹在卸载时张开,并且周围残留了压缩塑性应变,这些不满足J积分路径无关的条件。对J积分计算方法进行了改进,提出了适用于蠕变-热疲劳裂纹的J积分计算方法。对ZL111材料进行了裂纹扩展试验,研究了其裂纹扩展的可靠寿命计算方法。3.通过对热疲劳斜裂纹的研究发现：在加热过程和冷却过程的前期,热疲劳斜裂纹是纯Ⅱ型,在冷却过程的后期是Ⅰ、Ⅱ混合型；热疲劳斜裂纹的等效应力强度因子K。随着裂纹倾斜角β增加而增长,因此同样条件下的热疲劳斜裂纹较直裂纹更危险。4.受热疲劳损伤的零件表面易形成热疲劳裂纹网,裂纹网中主裂纹的应力强度因子可反映构件的损伤程度,由于裂纹间的屏蔽效应,直接计算裂纹网中主裂纹的应力强度因子是困难的。研究了热疲劳裂纹网屏蔽效应的规律,提出了利用该规律计算主裂纹应力强度因子的方法。5.提出了用响应面方法构建极限状态函数并进行可靠性灵敏度分析的方法,推导了计算公式。该方法的优点是：（1）可用于极限状态函数未知的情况。（2）此极限状态函数是形式简单的二次多项式,便于实现方差和偏导计算,使可靠性灵敏度的计算简单易行。（3）该极限状态函数包括一、二次项和交叉项的信息,使可靠性灵敏度的计算精度大大提高。（4）通用、规范,易于实现程序化。以裂纹倾斜角、加热的最高温度、裂纹的屏蔽剩余百分数以及材料的断裂韧性为随机变量,计算了模型不发生断裂的可靠性灵敏度。6.自主设计制造了用于铝合金方形试样的热疲劳试验机,主要由红外线加热装置、液气混合冷却系统、夹持机构、控制系统等部分组成。该机可用于测试：（1）各种材料抵抗热疲劳的能力；（2）各种加工方法对热疲劳寿命的影响；（3）试验温度和温度变化率对热疲劳寿命的影响；（4）镀膜对热疲劳寿命的影响。该试验机的预期功能已全部实现。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.1.1 高温设备在工业上的应用情况
• 1.1.2 高温强度相关的概念
• 1.1.3 蠕变-疲劳寿命预测的意义
• 1.2 蠕变-疲劳交互作用概述
• 1.2.1 蠕变-疲劳交互作用机理
• 1.2.2 蠕变-疲劳交互作用的影响因素
• 1.3 蠕变-疲劳裂纹起始寿命预测方法的国内外研究进展
• 1.3.1 时间-循环分数法
• 1.3.2 频率修正法、频率分离法和Ostergren拉伸滞后能模型
• 1.3.3 损伤率模型
• 1.3.4 损伤力学法
• 1.3.5 应变范围区分法
• 1.4 蠕变-疲劳裂纹扩展寿命预测方法的国内外研究进展
• 1.4.1 疲劳裂纹扩展方程
• 1.4.2 蠕变裂纹扩展方程
• 1.4.3 蠕变-疲劳交互作用下裂纹扩展方程
• 1.5 可靠寿命预测的意义
• 1.6 本文的研究内容
• 第二章 ZL111的材料性能、试验及数据统计
• 2.1 概述
• 2.2 ZL111的物理性质
• 2.3 ZL111材料的拉伸试验及数据统计
• 2.4 ZL111的塑性力学性能
• 2.5 ZL111的蠕变性能
• 2.6 本章小结
• 第三章 基于等效试验的蠕变-热疲劳裂纹起始寿命预测方法
• 3.1 概述
• 3.2 模型假设
• 3.3 加热-保温-冷却过程的力学分析
• 3.3.1 加热过程
• 3.3.2 保温过程
• 3.3.3 降温过程
• 3.3.4 蠕变-热疲劳交互作用分析
• 3.3.5 计算实例
• 3.4 等效方法的试验验证
• 3.5 ZL111的热机械疲劳寿命试验
• 3.5.1 试验条件
• 3.5.2 试验结果
• 3.6 寿命分布检验及P-S-N曲线绘制
• 3.6.1 K-S法检验寿命的分布类型
• 3.6.2 S-N曲线及P-S-N曲线绘制
• 3.7 指定疲劳寿命下的可靠度计算
• 3.7.1 恒幅常应力情况
• 3.7.2 恒幅变应力情况
• 3.8 疲劳可靠寿命预测
• 3.8.1 恒幅常应力情况
• 3.8.2 恒幅变应力情况
• 3.9 计算实例
• 3.10 本章小结
• 第四章 蠕变-热疲劳裂纹张开过程的有限元模拟和控制参量研究
• 4.1 概述
• 4.2 蠕变-热疲劳裂纹的特点
• 4.3 有限元模型
• 4.4 蠕变-热疲劳裂纹的张开过程分析
• 4.5 热疲劳裂纹的张开过程分析
• 4.6 蠕变-热疲劳裂纹的应力强度因子
• 4.6.1 应力强度因子的概念
• 4.6.2 应力强度因子的有限元计算方法
• 4.6.3 应力强度因子的小范围屈服修正
• 4.7 蠕变-热疲劳裂纹的J积分
• 4.7.1 J积分的定义
• 4.7.2 蠕变-热疲劳裂纹的J积分计算方法
• 4.7.3 改进J积分的守恒性
• 4.8 计算实例
• 4.9 本章小结
• 第五章 蠕变-热疲劳裂纹扩展可靠寿命预测
• 5.1 概述
• 5.2 裂纹扩展速率试验
• 5.2.1 裂纹的扩展规律
• 5.2.2 试样及试验条件
• th'>5.2.3 升降法测量ΔK_th
• 5.2.4 裂纹扩展速率试验数据及统计
• 5.3 裂纹扩展不确定性方程及求解方法
• 5.4 计算实例
• 5.5 本章小结
• 第六章 热疲劳斜裂纹及裂纹网的计算研究
• 6.1 概述
• 6.2 复合型裂纹的应力强度因子
• 6.3 普通拉伸斜裂纹的应力强度因子
• 6.3.1 模型及边界条件
• 6.3.2 计算结果及分析
• 6.4 热疲劳斜裂纹的应力强度因子
• 6.4.1 模型及边界条件
• 6.4.2 计算结果及分析
• 6.4.3 热疲劳斜裂纹张开过程分析
• 6.5 热疲劳裂纹网模型及边界条件
• 6.6 热疲劳裂纹网的屏蔽规律
• 6.6.1 单条裂纹的应力强度因子
• 6.6.2 两条长度相等裂纹的屏蔽效应规律
• 6.6.3 任意两条裂纹的屏蔽效应规律
• 6.6.4 三条裂纹的屏蔽效应规律
• 6.6.5 多条裂纹的屏蔽效应规律
• 6.6.6 计算实例
• 6.7 本章小结
• 第七章 基于响应面方法的可靠性灵敏度分析
• 7.1 概述
• 7.2 响应面方法简介
• 7.3 基于响应面方法的可靠度计算
• 7.3.1 理论方法
• 7.3.2 Monte-Carlo法
• 7.4 基于响应面方法的可靠性灵敏度计算
• 7.5 计算实例
• 7.6 本章小结
• 第八章 热疲劳试验机的设计研究
• 8.1 概述
• 8.2 本试验机的用途及预期功能
• 8.3 试验方法及步骤
• 8.4 试验机的构造
• 8.4.1 试样及夹持装置
• 8.4.2 传动装置
• 8.4.3 加热装置
• 8.4.4 冷却装置
• 8.4.5 测温装置
• 8.4.6 控制装置
• 8.5 热疲劳裂纹的检测
• 8.6 试验结果及分析
• 8.7 本章小结
• 第九章 结论及展望
• 9.1 结论
• 9.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读博士期间获得荣誉与奖励
• 附录B 攻读博士期间发表与录用的学术论文