CN111027208A - 在役机械装备关键结构元件疲劳载荷作用下的定延寿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在役机械装备关键结构元件疲劳载荷作用下的定延寿方法，该方法将复杂机械装备拆分为独立的结构元件，通过确定机械装备的关键结构元件，分析关键结构元件的历史使用状况、确定关键结构元件的主要失效部位及其疲劳载荷条件，通过开展结构元件的损伤检测和评估和材料的力学性能试验，并对不同损伤特征采用不同的评估模型进行剩余寿命评估，实现对机械装备关键结构元件的定延寿，达到为机械装备定延寿提供数据支撑的目的；本方法基于关键结构元件损伤状况和其材料疲劳潜能来实现定延寿，可以大大降低疲劳试验时间和费用，并且提高了定寿延寿结果的精确性。

Description

在役机械装备关键结构元件疲劳载荷作用下的定延寿方法

技术领域

本发明属于疲劳学技术领域，涉及一种在役机械装备关键结构元件疲劳载荷作用下的定延寿方法。

背景技术

现代高科技复杂机械装备，特别是武器装备往往有数百个甚至上千个零部件组成。由于机械装备的功能***繁多，关联性强，因此机械装备的定寿延寿工作是一个庞大的工程***，特别是承受疲劳载荷作用的机械装备及其零部件由于载荷条件复杂、试验周期长、成本高等原因，其定延寿更加困难。目前，我国部分装备陆续到达了设计寿命，由于这些装备在设计阶段普遍比较保守，仍有较大的寿命潜力，因此迫切需要合适的定延寿方法。但是，国内目前确定或延长机械装备寿命的方法主要包括厂内寿命试验法、外场信息法和工程分析法等，场内寿命试验法根据工厂在模拟使用条件下的试验结果来确定装备的剩余寿命，但该方法由于缺乏大量零部件试验研究的基础数据，其可靠性往往较低，且随着装备寿命的延长试验成本也十分高昂。外场信息法是通过外场信息来确定装备的寿命，对装备的具体失效机理研究不深入，因此精度也很难保证。工程分析法是利用工程判断方法来实现装备的定寿，这类方法多依赖于工程经验，精度也不易保证。由此可见，针对机械装备的定延寿是一个复杂的***工程，且目前并没有十分完备的方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种在役机械装备关键结构元件疲劳载荷作用下的定延寿方法，通过掌握机械装备关键结构元件疲劳载荷作用下的失效损耗规律，建立适用的损伤评估模型，实现对机械装备关键结构元件的定延寿，为机械装备定延寿提供数据支撑。

为解决上述技术问题，本发明提出一种在役机械装备关键结构元件疲劳载荷作用下的定延寿方法，该方法具体包括以下步骤：

S1、根据机械装备结构特点进行结构元件分析，选择关键结构元件作为定延寿对象；

S2、收集所述机械装备的外场使用数据，如无法直接获得所述机械设备的外场使用数据，则收集同类型设备的外场使用数据，确定所述关键结构元件的历史使用寿命N₀；

S3、确定所述关键结构元件的疲劳载荷条件；

S4、对所述机械装备进行拆解，对所述关键结构元件进行无损理化检测，确定所述关键结构元件当前的损伤状况；

S5、通过试验或资料确定所述关键结构元件的材料力学性能，所述材料力学性能参数包括：结构元件材料裂纹扩展速率曲线和结构元件材料断裂韧性值；

S6、基于所述关键结构元件的损伤情况，开展所述关键结构元件的剩余寿命评估：对于无明显可检测损伤的结构元件，执行S61；

对于体积状的损伤，执行S62；

对于面状损伤，执行S63；

S61、对于无明显可检测损伤的结构元件，利用材料的光滑试样S-N曲线进行剩余寿命评估，包括如下具体步骤：

S611、计算该结构元件承受的工作应力σ_s和应力比R；开展应力比为R的光滑试验疲劳寿命试验，拟合得到S-N寿命曲线；

S612、利用材料光滑试样的S-N曲线读取应力为σ_s的总疲劳寿命循环数N_t，利用总疲劳寿命循环数减去已经使用的疲劳循环数N₀即为剩余寿命；

S62、对于体积状的损伤，采用含缺口试样S-N寿命曲线进行剩余寿命评估，具体评估方法如下：

S621、将体积状损伤表征为具有一定几何尺寸的球形或椭球形孔洞；计算所述体积状损伤局部的平均应力σ₀和最大应力水平σ_dmax和应力集中系数k_d；其中k_d＝σ_dmax/σ；

S622、设计制作结构元件材料应力集中系数为k_d的模拟试验件，开展不同应力载荷水平下的疲劳寿命试验，拟合得到S-N曲线；

S623、根据所述关键结构元件的应力水平从上述应力集中系数的S-N曲线上读取得到对应的疲劳寿命N_d；

S624、根据读取的所述疲劳寿命N_d减去所述关键结构元件已经使用的寿命循环数N₀，计算所述关键结构元件的剩余疲劳寿命；

S63、对于面状损伤，评估方法如下：

S631、将所述面状损伤表征为一个具有几何形状的裂纹，裂纹表征尺寸由损伤外接矩形之高和长确定，所述关键结构元件厚度为B，沿所述关键结构元件表面厚度方向为所述外接矩形的高h，沿所述关键结构元件表面与厚度方向垂直方向为所述外接矩形的长l：

当h＞0.7B时，所述面状损伤规则化为2a＝l+2h的穿透裂纹，a为所述穿透裂纹长度的一半；

当h≤0.7B时，所述面状损伤规则化为2c＝l、a＝h的半椭圆表面裂纹，a是所述半椭圆沿关键结构元件表面厚度方向的半轴长度，c为所述半椭圆沿所述关键结构元件表面与厚度方向垂直方向的半轴长度；

S632、根据应力分析方法，确定外加载变化历程，确定被评定的所述面状损伤所在截面上垂直于裂纹平面的应力变化范围，平行于裂纹面的变化不予考虑；

S633、根据所述面状损伤表征的裂纹尺寸和所述S622中得到的应力变化范围，计算应力强度因子变化范围ΔK；

ΔK＝K_max-K_min，K_max为交变载荷最大值计算的应力强度因子，K_min为交变载荷最小值计算的应力强度因子；应力强度因子与裂纹长度的关系式为

f为形状修正因子，σ为应力，a为裂纹尺寸；

S634、计算所述结构元件材料的临界断裂裂纹尺寸a_c，所述a_c的计算表达式为：

式中：k_IC为材料的断裂韧性；

S635、计算结构元件由裂纹尺寸a扩展至a_c经历的寿命循环数，该循环数即为结构元件的剩余寿命。

优选的，所述步骤S635中、利用Paris公式计算结构元件由裂纹尺寸a扩展至a_c经历的寿命循环数，该循环数即为结构元件的剩余寿命；

Paris的计算表达式为：

式中：中C和m为材料常数，a为裂纹尺寸，N为循环次数。

优选地，所述步骤S6中，所述S-N曲线包括：

两参数幂函数疲劳S-N曲线的表达式为：

两参数指数函数疲劳S-N曲线的表达式为：

三参数幂函数疲劳S-N曲线的表达式为：

(S_max-S₀)^mN＝C；

四参数幂函数疲劳S-N曲线的表达式为：

式中，S_max为指定应力比下的最大应力；m和C为材料常数；N为指定应力比下S_max对应的疲劳寿命；e为自然对数的底；S₀为N为无穷时对应的疲劳强度，由试验数据拟合得；Su为拟合屈服极限。

优选地，所述步骤S3中，确定所述关键结构元件的疲劳载荷条件的依据为所述机械装备的工作状态，确定所述机械装备的工作状态包括如下步骤：

S31、分析所述关键结构元件或相似件发生失效破坏的历史数据，将发生失效次数最多的部位作为重点关注部位；

S32、根据所述关键结构元件的历次检测数据确定所述关键结构元件出现的损伤类型、大小和分布。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过确定机械装备的关键结构元件，分析关键结构元件的历史使用状况、确定结构元件的主要失效部位以及受载条件；通过开展结构元件的无损理化检测，确定结构元件的损伤状况，提出针对不同损伤特征的剩余寿命评估模型，进而通过开展结构元件材料的力学性能试验，确定疲劳寿命潜能，进而确定允许的剩余使用寿命，本方法能够提高结构元件剩余寿命的计算精度，同时可以大大降低疲劳试验时间和费用，本方法能够***地实现机械装备关键结构元件的定寿延寿，为整个机械装备的定延寿提供数据依据和支撑，经济和社会效益显著。

附图说明

图1是本发明实施例的实施流程图；

图2是本发明实施例中的外层壳体发生疲劳断裂的示意图；

图3是本发明实施例中外层壳体表面发现的一处腐蚀损伤示意图；

图4是本发明实施例中体积状损伤局部应力水平的计算模型；

图5是本发明实施例中制作的疲劳试验件示意图；以及

图6是本发明实施例中外层壳体的S-N曲线示意图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

本发明实施例针对在役机械装备的外层壳体，提出了一种在役机械装备关键结构元件疲劳载荷作用下的定延寿方法，该方法的实施流程如图1所示，其包括以下步骤：

S1、根据机械装备结构特点进行结构元件分析，选择关键结构元件作为定延寿对象；

S2、收集所述机械装备的外场使用数据或者收集同类型设备的外场使用数据，确定所述关键结构元件的历史使用寿命N₀；

S3、确定所述关键结构元件的疲劳载荷条件；

S4、对所述机械装备进行拆解，对所述关键结构元件进行无损理化检测，确定所述关键结构元件当前的损伤状况；

S5、确定所述关键结构元件的材料力学性能，所述材料力学性能的参数包括：结构元件材料裂纹扩展速率曲线和结构元件材料断裂韧性值；

S6、基于所述关键结构元件的损伤情况，开展所述结构元件的剩余寿命评估：对于无明显可检测损伤的结构元件，执行S61；或者

对于体积状的损伤，执行S62；或者

对于面状损伤，执行S63；

S61、对于无明显可检测损伤的结构元件，利用材料的光滑试样S-N曲线进行剩余寿命评估，包括如下具体步骤：

S611、计算该结构元件承受的工作应力σ_s和应力比R；开展应力比为R的光滑试验疲劳寿命试验，拟合得到S-N寿命曲线；

S612、利用材料光滑试样的S-N曲线读取应力为σ_s的总疲劳寿命循环数N_t，利用总疲劳寿命循环数减去已经使用的疲劳循环数N₀即为剩余寿命；

S62、对于体积状的损伤，采用含缺口试样S-N寿命曲线进行剩余寿命评估，具体评估方法如下：

S621、将体积状损伤表征为具有一定几何尺寸的球形或椭球形孔洞；计算所述体积状损伤局部的平均应力σ₀和最大应力水平σ_dmax和应力集中系数k_d；其中k_d＝σ_dmax/σ₀；

S622、设计制作结构元件材料应力集中系数为k_d的模拟试验件，开展不同应力载荷水平下的疲劳寿命试验，拟合得到S-N曲线；

S623、根据所述关键结构元件的应力水平从上述应力集中系数的S-N曲线上读取得到对应的疲劳寿命N_d；

S624、根据读取的所述疲劳寿命N_d减去所述关键结构元件已经使用的寿命循环数N₀，计算所述关键结构元件的剩余疲劳寿命；

S63、对于面状损伤，评估方法如下：

S631、将所述面状损伤表征为一个具有几何形状的裂纹，裂纹表征尺寸由损伤外接矩形之高和长确定，所述关键结构元件厚度为B，沿所述关键结构元件表面厚度方向为所述外接矩形的高h，沿所述关键结构元件表面与厚度方向垂直方向为所述外接矩形的长l：

当h＞0.7B时，所述面状损伤规则化为2a＝l+2h的穿透裂纹，a为所述穿透裂纹长度的一半；

当h≤0.7B时，所述面状损伤规则化为2c＝l、a＝h的半椭圆表面裂纹，a是所述半椭圆沿关键结构元件表面厚度方向的半轴长度，c为所述半椭圆沿所述关键结构元件表面与厚度方向垂直方向的半轴长度；

S632、根据应力分析方法，确定外加载变化历程，确定被评定的所述面状损伤所在截面上垂直于裂纹平面的应力变化范围，平行于裂纹面的变化不予考虑；

S633、根据所述面状损伤表征的裂纹尺寸和所述S622中得到的应力变化范围，计算应力强度因子变化范围ΔK；

ΔK＝K_max-K_min，K_max为交变载荷最大值计算的应力强度因子，K_min为交变载荷最小值计算的应力强度因子；应力强度因子与裂纹长度的关系式为

f为形状修正因子，σ为应力，a为裂纹尺寸；

S634、计算所述结构元件材料的临界断裂裂纹尺寸a_c，所述a_c的计算表达式为：

式中：k_IC为材料的断裂韧性；

S635、计算结构元件由裂纹尺寸a扩展至a_c经历的寿命循环数，该循环数即为结构元件的剩余寿命。

而且，在所述步骤S6中，所述S-N曲线包括：

两参数幂函数疲劳S-N曲线的表达式为：

两参数指数函数疲劳S-N曲线的表达式为：

三参数幂函数疲劳S-N曲线的表达式为：

(S_max-S₀)^mN＝C；

四参数幂函数疲劳S-N曲线的表达式为：

式中，S_max为指定应力比下的最大应力；m和C为材料常数；N为指定应力比下S_max对应的疲劳寿命；e为自然对数的底；S₀为N为无穷时对应的疲劳强度，由试验数据拟合得；Su为拟合屈服极限。

进一步，所述步骤S635中、利用Paris公式计算结构元件由裂纹尺寸a扩展至a_c经历的寿命循环数，该循环数即为结构元件的剩余寿命；

Paris的计算表达式为：

式中：C和m为材料常数，a为裂纹尺寸，N为循环次数。

进一步，所述步骤S3中，确定所述关键结构元件的疲劳载荷条件的依据为所述机械装备的工作状态，确定所述机械装备的工作状态包括如下步骤：

S31、分析所述关键结构元件或相似件发生失效破坏的历史数据，将发生失效次数最多的部位作为重点关注部位；

S32、根据所述关键结构元件的历次检测数据确定所述关键结构元件出现的损伤类型、大小和分布。

下面，以一个具体的实施例对于本发明的一种在役机械装备关键结构元件疲劳载荷作用下的定延寿方法进行详细描述，该定延寿方法包括以下步骤：

S1、根据选定的机械装备结构特点进行结构元件分析，选择外层壳体作为关键结构元件，对其进行定延寿；

S2、通过收集该装备的外场使用数据，确定该装备已使用320000次循环；

S3、通过分析该装备的关键结构元件，确定其主要失效模式为疲劳断裂，如图2所示，发生失效的主要部位位于壳体中部位置处；

S4、根据该元件的历次检测数据，确定该元件的主要容易出现的损伤类型为腐蚀坑损伤，主要尺寸集中在1.5mm～3mm；

S5、根据机械装备的工作状态，确定该元件在工装状态下主要承受拉应力作用；

S6、对该机械装备进行拆解，对外层壳体进行数字射线检测，确定当前结构元件的质量状况；

检测结果如图3所示，在外层壳体表面发现一处直径为2mm的腐蚀损伤。

S7、根据关键结构元件的无损检测结果，确定关键结构元件出现的损伤情况，对于体积状的损伤采用S-N寿命曲线进行剩余寿命评估，具体评估方法如下：

由于腐蚀损伤为体积状损伤，首先计算体积状损伤局部的应力水平，计算模型如图4示；

计算得到损伤局部的平均应力为312MPa，最大应力为467MPa，局部的应力集中系数为1.5；

S8、设计制作应力集中系数为1.5的疲劳试验件，如图5所示。开展不同应力水平下的疲劳寿命试验，开展该材料的疲劳寿命试验，加载波形为正弦波，加载频率f＝10Hz，加载应力比R＝0.1；各应力水平下的试验件数不少于3件。

S9、本实施例中，金属材料在交变应力作用下的疲劳性能用两参数幂函数疲劳S-N曲线疲劳曲线进行表征，其表达式为：

式中，S_max为指定应力比下的最大应力；m和C为材料常数；N为指定应力比下S_max对应的疲劳寿命；。

拟合得到的壳体材料(k_t＝1.5)疲劳S-N曲线如图6所示，表达式为：

S_max ^9.05N＝1.50×10²⁸(p＝50％)；

在曲线上读取得到312MPa应力时的寿命循环数为401821，总寿命循环数减去已经使用的寿命得到该元件的剩余寿命为81821。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种在役机械装备关键结构元件疲劳载荷作用下的定延寿方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S1、根据机械装备结构特点进行结构元件分析，选择关键结构元件作为定延寿对象；

S2、收集所述机械装备的外场使用数据或者收集同类型设备的外场使用数据，确定所述关键结构元件的历史使用寿命N₀；

S3、确定所述关键结构元件的疲劳载荷条件；

S4、对所述机械装备进行拆解，对所述关键结构元件进行无损理化检测，确定所述关键结构元件当前的损伤状况；

S5、确定所述关键结构元件的材料力学性能，所述材料力学性能的参数包括：结构元件材料裂纹扩展速率曲线和结构元件材料断裂韧性值；

S6、基于所述关键结构元件的损伤情况，开展所述结构元件的剩余寿命评估：对于无明显可检测损伤的结构元件，执行S61；或者

对于体积状的损伤，执行S62；或者

对于面状损伤，执行S63；

S61、对于无明显可检测损伤的结构元件，利用材料的光滑试样S-N曲线进行剩余寿命评估，包括如下具体步骤：

S611、计算该结构元件承受的工作应力σ_s和应力比R；开展应力比为R的光滑试验疲劳寿命试验，拟合得到S-N寿命曲线；

S612、利用材料光滑试样的S-N曲线读取应力为σ_s的总疲劳寿命循环数N_t，利用总疲劳寿命循环数减去已经使用的疲劳循环数N₀即为剩余寿命；

S62、对于体积状的损伤，采用含缺口试样S-N寿命曲线进行剩余寿命评估，具体评估方法如下：

S621、将体积状损伤表征为具有一定几何尺寸的球形或椭球形孔洞；计算所述体积状损伤局部的平均应力σ₀和最大应力水平σ_dmax和应力集中系数k_d；其中k_d＝σ_dmax/σ₀；

S622、设计制作结构元件材料应力集中系数为k_d的模拟试验件，开展不同应力载荷水平下的疲劳寿命试验，拟合得到S-N曲线；

S623、根据所述关键结构元件的应力水平从上述应力集中系数的S-N曲线上读取得到对应的疲劳寿命N_d；

S624、根据读取的所述疲劳寿命N_d减去所述关键结构元件已经使用的寿命循环数N₀，计算所述关键结构元件的剩余疲劳寿命；

S63、对于面状损伤，评估方法如下：

S631、将所述面状损伤表征为一个具有几何形状的裂纹，裂纹表征尺寸由损伤外接矩形之高和长确定，所述关键结构元件厚度为B，沿所述关键结构元件表面厚度方向为所述外接矩形的高h，沿所述关键结构元件表面与厚度方向垂直方向为所述外接矩形的长l：

当h＞0.7B时，所述面状损伤规则化为2a＝l+2h的穿透裂纹，a为所述穿透裂纹长度的一半；

当h≤0.7B时，所述面状损伤规则化为2c＝l、a＝h的半椭圆表面裂纹，a是所述半椭圆沿关键结构元件表面厚度方向的半轴长度，c为所述半椭圆沿所述关键结构元件表面与厚度方向垂直方向的半轴长度；

S632、根据应力分析方法，确定外加载变化历程，确定被评定的所述面状损伤所在截面上垂直于裂纹平面的应力变化范围，平行于裂纹面的变化不予考虑；

S633、根据所述面状损伤表征的裂纹尺寸和所述S622中得到的应力变化范围，计算应力强度因子变化范围ΔK；

ΔK＝K_max-K_min，K_max为交变载荷最大值计算的应力强度因子，K_min为交变载荷最小值计算的应力强度因子；应力强度因子与裂纹长度的关系式为

f为形状修正因子，σ为应力，a为裂纹尺寸；

S634、计算所述结构元件材料的临界断裂裂纹尺寸a_c，所述a_c的计算表达式为：

式中：k_IC为材料的断裂韧性；

S635、计算结构元件由裂纹尺寸a扩展至a_c经历的寿命循环数，该循环数即为结构元件的剩余寿命。

2.根据权利要求1所述的在役机械装备关键结构元件疲劳载荷作用下的定延寿方法，其特征在于，所述步骤S6中，所述S-N曲线包括：

两参数幂函数疲劳S-N曲线的表达式为：

两参数指数函数疲劳S-N曲线的表达式为：

三参数幂函数疲劳S-N曲线的表达式为：

(S_max-S₀)^mN＝C；

四参数幂函数疲劳S-N曲线的表达式为：

式中，S_max为指定应力比下的最大应力；m和C为材料常数；N为指定应力比下S_max对应的疲劳寿命；e为自然对数的底；S₀为N为无穷时对应的疲劳强度，由试验数据拟合得；Su为拟合屈服极限。

3.根据权利要求1所述的在役机械装备关键结构元件疲劳载荷作用下的定延寿方法，其特征在于，所述步骤S635中、利用Paris公式计算结构元件由裂纹尺寸a扩展至a_c经历的寿命循环数，该循环数即为结构元件的剩余寿命；

Paris的计算表达式为：

式中：C和m为材料常数，a为裂纹尺寸，N为循环次数。

4.根据权利要求1所述的在役机械装备关键结构元件疲劳载荷作用下的定延寿方法，其特征在于，所述步骤S3中，确定所述关键结构元件的疲劳载荷条件的依据为所述机械装备的工作状态，确定所述机械装备的工作状态包括如下步骤：

S31、分析所述关键结构元件或相似件发生失效破坏的历史数据，将发生失效次数最多的部位作为重点关注部位；

S32、根据所述关键结构元件的历次检测数据确定所述关键结构元件出现的损伤类型、大小和分布。

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