高温复杂结构的混合概率故障物理建模与疲劳寿命预测

发布时间：2020-05-28 11:08

【摘要】：随着现代机械装备向大型化、复杂化和精密化方向发展,诸如航空发动机、重型燃气轮机等重大机械装备的大量零部件在十分恶劣的环境下工作,需满足高性能要求并实现安全可靠地运行。其中,重大机械装备高温复杂结构(如燃汽轮机和航空发动机热端部件)的寿命和可靠性是制约整机寿命和可靠性水平的主要因素之一。在重大机械装备服役过程中,由于不断的起动、停车以及各种任务的需要,其各部件承受复杂载荷作用,同时诸多不确定性因素愈加恶劣的影响使得复杂构件产生多种形式的失效破坏且表现出较大的分散性。特别是疲劳破坏,对装备的安全工作造成极大的威胁。因此,研究并保证此类结构在这些不确定因素影响下因疲劳断裂而失效的可能性降至最低程度具有重要的现实意义。复杂载荷、多环境因素以及多种失效模式下的寿命预测一直是寿命预测领域的难点和热点。由于重大机械装备复杂结构破坏机理的复杂性、不确定性和分散性,本文针对其寿命预测与可靠性理论中若干亟待解决的重要问题,在复杂载荷、多环境因素以及多种失效模式下的概率寿命预测以及不确定性分析方面展开研究,利用航空发动机涡轮盘用GH4133合金和某型航空发动机实测转速循环数据,并辅以高强度耐热钢试验数据进行模型验证。其主要内容和研究成果如下: (1)提出了复杂载荷作用下考虑小载荷损伤与强化的模糊Miner法则为了完善工程中应用较广的Miner法则的理论缺陷和拓展其应用范围,通过考虑载荷和损伤的分散性和随机性对疲劳寿命和疲劳特性分散性的影响,将复杂载荷中小载荷的损伤与强化引入到传统Miner法则的理论框架下,并将载荷之间相互作用和载荷次序效应对疲劳特性的影响定量地纳入Miner法则,提出了模糊Miner法则。该法则的提出为工程中“载荷是否产生损伤”的判据和“低载强化”现象的解释提供了理论支撑,更符合客观实际。 (2)建立了多种失效模式下的寿命预测模型——广义应变能损伤函数模型为统一表征高温复杂结构在多种失效模式下不同载荷类型造成的损伤而实现不同加载波形下的疲劳-蠕变寿命预测,基于能量准则,提出了广义应变能损伤函数模型。该模型综合考虑了各加载条件对其损伤和寿命的影响,具有较广的适用性。在此基础上,考虑到该模型中给定的应变能与控制裂纹形成与扩展的真实应变能的差异,提出了改进型广义应变能损伤函数模型。研究结果显示,在不同温度、应变比或应力比下,改进模型的寿命预测精度较高,可满足工程实际需要。 (3)提出了多种失效模式下的寿命预测方法——广义能量损伤参数法针对高温下无荷载保持时间的低周疲劳失效,结合故障物理失效分析技术,从能量角度提出了更具一般性的广义能量损伤参数。在此基础上,应用动粘性来描述损伤累积,提出了一种物理意义更明确和试验依据更充分的延性耗竭模型。广义能量损伤参数和延性耗竭模型均是基于疲劳失效过程中不可逆延性耗散且材料逐渐递减的固有能量吸收能力而提出的,为实现可靠预估重大机械装备复杂构件的剩余寿命提供了有效途径。研究结果显示,相比现有模型和方法,广义能量损伤参数和延性耗竭模型在寿命预测精度和应用范围上有着显著的优势。 (4)构建了混合概率故障物理寿命预测理论框架为了解决复杂结构寿命预测中诸多因素引入的不确定性问题,应用Bayes推理和故障物理技术,将寿命预测模型参数、载荷历程和材料属性等参数以分布形式输入,构建了由历史记录数据到材料试验、加速寿命数据的混合概率故障物理寿命预测理论框架。同时,设计并应用马尔科夫链蒙特卡洛(MCMC)仿真技术解决了该框架下高维Bayes推理的密集计算问题。该框架的提出,实现了故障物理技术在疲劳寿命预测中的应用,并可依据不同阶段的信息和知识状态进行信息更新,一方面节省了相关试验时间和成本,另一方面为实现重大机械装备的安全评估和寿命周期管理做出最有利的决策和判断提供了理论依据。 (5)提出了基于综合不确定性分析和Bayes推理及信息更新的概率故障物理寿命预测方法基于混合概率故障物理寿命预测理论框架,系统地研究了物理不确定性、统计不确定性和模型不确定性对寿命和损伤的影响,提出了寿命预测中的综合不确定性分析方法:White-Box法,有效地对重大机械装备复杂构件进行概率故障物理寿命预测。同时,拓展了Black-Box法在疲劳寿命预测中的应用,较好地表征并评估了模型不确定性。相比Black-Box法,White-Box法综合考虑了模型、模型参数、材料属性和模型输入变量的不确定性对疲劳寿命的影响。上述两种方法的提出和拓展,为模型的选择和比较提供了一种更为科学的理论依据。研究结果表明,概率故障物理寿命预测方法较好地解释了同一类设备或复杂构件在相同使用条件下寿命也有很大的分散性问题,可用于重大机械装备复杂构件的安全评定、健康监测、结构设计和剩余寿命估算等一系列工程实际问题中。
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疲劳发展史概述

框图,可靠性工程,故障物理

图 1-2 可靠性工程技术的发展框图[186]理学（Physics-of-Failure，PoF）是综合利用产品的寿命周来进行可靠性建模、设计和评估的一种方法[179]。与传统方术通过建立物理模型，利用高加速试验在物理试验之前找位、失效机理分析及设计改进，，并通过反复试验和模拟仿就将可靠性纳入产品[187]。图 1-2 给出了当前可靠性工程技故障物理技术被称为“21 世纪的可靠性技术”，适用于故障设计理念，成为各国竞相发展的高可靠性设计技术[179, 188-1在失效或故障均为特定的设计参数和环境载荷条件的函数模型。通过将故障物理技术应用于疲劳寿命预测中，可得的一般表达式为：( , , , , ,f material properties structure and size loading waveformN =f p p p σ εL为构件材料属性、结构尺寸、加载相关参数。材料、新工艺和新结构，传统的可靠性评估技术往往因缺
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TH165.3

【参考文献】