铝合金蠕变—疲劳耦合特性研究及其在柴油机活塞寿命预测中的应用

发布时间：2017-10-05 13:11

  本文关键词：铝合金蠕变—疲劳耦合特性研究及其在柴油机活塞寿命预测中的应用

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【摘要】：铝合金材料具有比强度高、密度低、铸造性能良好等优点，在柴油机活塞结构中得到了广泛应用。近年来随着柴油机功率密度和转速的不断提升，缸内燃烧压力和燃气温度大幅提高，这使得活塞所承受的热负荷和机械负荷也更加严重。在这种载荷持续作用下，作为活塞材料的铝合金内部除了产生疲劳损伤之外，还会产生蠕变损伤作用，并且与疲劳损伤之间产生复杂、耦合的相互作用，，造成蠕变—疲劳破坏现象。 本文针对铝合金材料的蠕变—疲劳耦合特性问题，从试验测试、理论分析和数值模拟三个角度进行了研究。主要目的在于掌握铝合金材料在高温载荷下的蠕变变形特点和疲劳行为特征，获得温度、载荷等因素对铝合金材料的循环变形和寿命行为的影响规律；借助于金相组织观测和疲劳断口分析，明确材料在疲劳破坏过程中的微观损伤机理和组织演化过程和特点；基于损伤力学的分析方法，建立能够将材料的蠕变损伤与疲劳损伤进行非线性耦合的蠕变—疲劳寿命预测模型；最后，基于上述模型和材料疲劳试验数据，实现活塞结构在变工况载荷下的蠕变—疲劳寿命预测分析。 论文主要的研究内容和结论为： （1）铝合金蠕变—疲劳行为研究 展开了铝合金材料的单调拉伸力学性能测试，结果表明铝合金材料在高温下的抗拉强度急剧下降，说明温度对材料的力学性能造成很大的影响。此外，通过高温蠕变试验研究了温度和载荷对材料蠕变变形的影响规律，并基于ABAQUS软件的二次开发实现了蠕变变形的数值仿真。 展开了铝合金材料的高温低周疲劳试验研究，结果表明材料在循环载荷下表现出循环软化现象，并且软化程度随着温度的升高而逐渐加大。在所测试的温度范围内，铝合金材料的低周疲劳寿命随着温度的升高而增加。采用基于塑性应变能的Halford-Marrow模型分析了铝合金材料塑形应变能与疲劳寿命的关系，结果表明材料吸收和耗散塑性能的能力随着温度的升高而增强。 （2）铝合金疲劳断裂及损伤微观机理分析 采用金相观测方法研究了铝合金材料的疲劳断口形貌、组织演化过程和损伤累积。结果表明，铝合金材料的疲劳断口呈现大量的晶间裂纹和撕裂棱，说明疲劳过程中蠕变损伤和疲劳损伤之间存在耦合作用。此外，随着温度的升高，疲劳断口上撕裂棱数量更多、形态也更加细小，这些撕裂棱能够有效减少应力集中和裂纹扩展速率，这从微观角度揭示了材料高温低周疲劳寿命随温度升高而增加的机理。 （3）蠕变—疲劳寿命预测模型研究 基于连续损伤力学的分析方法，将材料的蠕变损伤与疲劳损伤进行非线性累积，建立了材料的蠕变—疲劳寿命预测模型，并采用蠕变—疲劳试验数据校核了模型参数。随后采用该模型预测了铝合金材料的寿命，预测结果均位于2倍误差带内，表明该模型具有良好的寿命预测能力。 （4）活塞在变工况条件下的蠕变—疲劳寿命预测分析 针对高功率密度柴油机活塞在变工况下的循环载荷特点，提出了活塞结构的蠕变—疲劳寿命预测分析流程，并预测了活塞结构在额定工况和最大扭矩工况循环作用下的蠕变—疲劳寿命。结果表明，活塞喉口位置为结构的疲劳薄弱位置，蠕变—疲劳寿命为1388次。 本文的研究从材料的力学、蠕变和疲劳基本特性出发，同时借助于材料微观组织观测和损伤耦合的理论分析手段，研究了铝合金材料的蠕变—疲劳耦合特性，建立了材料的蠕变—疲劳寿命预测模型，并将该模型应用到了活塞结构的蠕变—疲劳寿命分析中。本文建立了一套从材料基本性能分析到结构实际工程应用的蠕变—疲劳分析流程和方法，能够为结构的蠕变—疲劳耐久性分析提供借鉴。
【关键词】：铝合金 活塞 蠕变—疲劳耦合特性 寿命预测 损伤演化 有限元方法
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG146.21;TK423
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第1章 绪论13-38
• 1.1 选题的背景及意义13-14
• 1.2 国内外研究现状及进展14-35
• 1.2.1 蠕变及蠕变损伤研究15-19
• 1.2.2 疲劳及疲劳损伤研究19-23
• 1.2.3 蠕变—疲劳耦合损伤特性研究23-25
• 1.2.4 蠕变—疲劳耦合损伤的影响因素25-28
• 1.2.5 蠕变—疲劳的寿命预测方法研究28-33
• 1.2.6 活塞结构的蠕变—疲劳寿命研究进展33-35
• 1.3 本文的主要研究内容35-38
• 第2章 铝合金材料蠕变—疲劳行为研究38-59
• 2.1 引言38-39
• 2.2 试验材料及试验方法39-42
• 2.2.1 单调拉伸力学试验39-40
• 2.2.2 高温蠕变试验40-41
• 2.2.3 高温低周疲劳试验41
• 2.2.4 蠕变—疲劳试验41-42
• 2.3 单调拉伸力学特性分析42-43
• 2.4 高温蠕变特性分析43-47
• 2.4.1 高温蠕变变形行为43-45
• 2.4.2 蠕变本构模型建立及验证45-47
• 2.5 疲劳特性分析47-57
• 2.5.1 循环载荷下的变形特征47-51
• 2.5.2 高温低周疲劳寿命行为51-56
• 2.5.3 蠕变—疲劳寿命行为56-57
• 2.6 本章小结57-59
• 第3章 铝合金材料的微观组织特征及疲劳断裂机理研究59-76
• 3.1 引言59-60
• 3.2 铝合金材料的微观组织结构和成分分析60-63
• 3.3 铝合金材料的疲劳断口形貌分析63-67
• 3.4 铝合金材料的疲劳断裂机理及损伤分析67-75
• 3.5 本章小结75-76
• 第4章 蠕变—疲劳寿命预测模型研究76-91
• 4.1 引言76-77
• 4.2 基于损伤分析的蠕变—疲劳寿命预测模型建立77-88
• 4.2.1 损伤力学基本概念77-80
• 4.2.2 蠕变—疲劳载荷的特征描述80
• 4.2.3 蠕变—疲劳寿命预测模型的推导80-84
• 4.2.4 蠕变—疲劳寿命预测模型参数确定84-88
• 4.2.5 铝合金材料的蠕变—疲劳寿命预测88
• 4.3 蠕变—疲劳寿命预测模型讨论88-90
• 4.3.1 蠕变—疲劳载荷的针对性分析88-89
• 4.3.2 蠕变—疲劳损伤的非线性耦合89-90
• 4.4 本章小结90-91
• 第5章 蠕变—疲劳寿命预测模型在柴油机活塞中的应用研究91-106
• 5.1 引言91-92
• 5.2 活塞的蠕变—疲劳分析流程92-94
• 5.3 活塞的蠕变—疲劳寿命预测分析94-105
• 5.3.1 铝合金材料的蠕变—疲劳寿命预测模型94
• 5.3.2 铝合金材料的热物性和循环应力应变关系94-97
• 5.3.3 活塞结构的温度场与应力场分析97-103
• 5.3.4 活塞结构的蠕变—疲劳寿命预测103-105
• 5.4 本章小结105-106
• 第6章 结论106-110
• 6.1 全文总结106-108
• 6.2 论文创新点108-109
• 6.3 后续工作展望109-110
• 参考文献110-124
• 攻读博士学位期间发表论文与研究成果清单124-125
• 致谢125-126
• 作者简介126

【参考文献】

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本文编号：976966