用于轉子材料的確定性疲勞壽命預測的方法以及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種疲勞壽命預測方法，包括：計算所關注對象的臨界裂紋尺寸；識別所關注對象的超聲數(shù)據(jù)中的第一裂隙；判斷第一裂隙是與第二裂隙相互作用、第一裂隙是要與第二裂隙合并、還是第一裂隙是孤立的；基于該判斷，計算初始裂紋尺寸；以及，計算由于疲勞和蠕變所致的初始裂紋尺寸中的增大，以便判斷在初始裂紋尺寸達到臨界裂紋尺寸之前負荷循環(huán)的數(shù)量。
【專利說明】用于轉子材料的確定性疲勞壽命預測的方法以及系統(tǒng)
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]根據(jù)35U.S.C.§ 119，本申請要求以在2012年I月23日提交的、美國臨時專利申請序號為61/589,426的申請為優(yōu)先權，其全部內容在此以引用方式并入本文。
【技術領域】
[0003]本發(fā)明涉及轉子材料中的疲勞壽命預測。
【背景技術】
[0004]疲勞壽命預測在渦輪發(fā)電機中是一項重要的管理任務。在高溫高壓環(huán)境下經過長期運轉，使機殼、閥門、以及轉子材料冶金方式劣化。在惡劣條件下的多年運行，由于斷裂(fracture)和螺變(creep)所致的裂紋(cracks)可能開始并且發(fā)展。本領域中已經期望可靠的壽命預測技術，用于維護以及檢修計劃，以便降低壽命周期成本。
[0005]雖然過去幾十年來做出了努力，但本領域中仍然存在一些困難和挑戰(zhàn)。高溫和高壓環(huán)境中的疲勞裂紋蔓延是一種復雜而且動態(tài)的過程，其涉及許多領域的專門知識和經驗判斷。惡劣環(huán)境下的疲勞壽命預測必須周密地包括兩個主要內容:(I)時間-和溫度-相關的疲勞與蠕變-疲勞裂紋生長，以及(2)多裂紋相互作用及其對最終疲勞壽命的影響。疲勞裂紋生長不僅受到應力強度因子(stress intensity factor)驅使,而且受到J積分驅使。多裂紋之間、或者裂紋與邊界之間的相互作用影響應力強度因子和J積分。用于蒸汽輪機或燃氣輪機的典型加載曲線(loading profile)中的保持時間也影響疲勞裂紋生長。對于沒有專門知識的普通工程技術人員而言，成功地進行壽命預測并不容易。
[0006]期望有一種系統(tǒng)，能管理在此過程中所要求的有用信息和經驗信息。
【發(fā)明內容】
[0007]在本發(fā)明的一種示例性實施例中，一種疲勞壽命預測方法包括:計算所關注對象的臨界裂紋尺寸；識別所關注對象的超聲數(shù)據(jù)中的第一裂隙；判斷第一裂隙是與第二裂隙相互作用、第一裂隙是要與第二裂隙合并、還是第一裂隙是孤立的；基于上述判斷，計算初始裂紋尺寸；以及，計算由于疲勞和蠕變所致的初始裂紋尺寸中的增大，以便判斷初始裂紋尺寸達到臨界裂紋尺寸之前負荷循環(huán)的數(shù)量。
[0008]所關注對象包括渦輪發(fā)電機的部件。該部件包括轉子。當滿足關于相互作用的預定準則時，第一裂隙是與第二裂隙相互作用。當滿足關于合并的預定準則時，第一裂隙是要與第二裂隙合并。
[0009]重復由于疲勞和蠕變所致的初始裂紋尺寸中的增大的計算步驟，直至初始裂紋尺寸滿足或超過臨界裂紋尺寸。
[0010]負荷循環(huán)包括施加至對象的最小應力、施加至對象的最大應力、對象暴露的溫度、以及保持時間。
[0011]在本發(fā)明的一種示例性實施例中，一種疲勞壽命預測系統(tǒng)，包括:存儲裝置，用于存儲程序；處理器，與存儲裝置通信，該處理器以程序操作，以便:計算所關注對象的臨界裂紋尺寸；識別所關注對象的超聲數(shù)據(jù)中的第一裂隙；判斷第一裂隙是與第二裂隙相互作用、第一裂隙是要與第二裂隙合并、還是第一裂隙是孤立的；基于該判斷，計算初始裂紋尺寸；以及，計算由于疲勞和蠕變所致的初始裂紋尺寸中的增大，以便判斷初始裂紋尺寸達到臨界裂紋尺寸之前負荷循環(huán)的數(shù)量。
[0012]所關注對象包括渦輪發(fā)電機的部件。該部件包括轉子。當滿足關于相互作用的預定準則時，第一裂隙是與第二裂隙相互作用。當滿足關于合并的預定準則時，第一裂隙是要與第二裂隙合并。
[0013]處理器進一步以程序代碼操作，以便重復計算由于疲勞和蠕變所致的初始裂紋尺寸中的增大，直至初始裂紋尺寸滿足或超過臨界裂紋尺寸。
[0014]在本發(fā)明的一種示例性實施例中，一種用于疲勞壽命預測的計算機程序產品，包括:非暫時性計算機可讀存儲介質，具有包含于其上的計算機可讀程序代碼，該計算機可讀程序代碼包括:構造成執(zhí)行下列步驟的計算機可讀程序代碼:計算所關注對象的臨界裂紋尺寸；識別所關注對象的超聲數(shù)據(jù)中的第一裂隙；判斷第一裂隙是與第二裂隙相互作用、第一裂隙是要與第二裂隙合并、還是第一裂隙是孤立的；基于該判斷，計算初始裂紋尺寸；以及，計算由于疲勞和蠕變所致的初始裂紋尺寸中的增大，以便判斷初始裂紋尺寸達到臨界裂紋尺寸之前負荷循環(huán)的數(shù)量。
[0015]所關注對象包括渦輪發(fā)電機的部件。該部件包括轉子。當滿足關于相互作用的預定準則時，第一裂隙是與第二裂隙相互作用。當滿足關于合并的預定準則時，第一裂隙是要與第二裂隙合并。
[0016]重復由于疲勞和蠕變所致的初始裂紋尺寸中的增大的計算步驟，直至初始裂紋尺寸滿足或超過臨界裂紋尺寸之前。
[0017]在本發(fā)明的一種示例性實施例中，一種疲勞壽命預測的方法，包括:計算所關注對象的臨界裂紋尺寸；識別所關注對象的第一裂隙；判斷第一裂隙是與第二裂隙相互作用、第一裂隙是要與第二裂隙合并、還是第一裂隙是孤立的；基于該判斷，計算初始裂紋尺寸；以及，計算由于疲勞和蠕變所致的初始裂紋尺寸中的增大，以便判斷在初始裂紋尺寸達到臨界裂紋尺寸之前負荷循環(huán)的數(shù)量。
[0018]使用非超聲數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)第一裂隙和第二裂隙。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1A至圖1D圖示關于不同幾何結構的裂紋尖端(A和B)放大因子；
[0020]圖2是相互作用說明圖；
[0021]圖3是合并說明圖；
[0022]圖4圖示在遠程張力下平面應變中關于雙邊切口板(DENO)的響應面；
一fa I
[0023]圖5圖示在遠程張力下平面應變中關于中心裂紋板(CCPL)的A —，h響應面；
VW J
[0024]圖6圖示一種系統(tǒng)軟件平臺，其可以具體體現(xiàn)本發(fā)明的示例性實施例；
[0025]圖7圖示根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的圖6系統(tǒng)軟件平臺中的疲勞壽命預測模塊；
[0026]圖8是根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的裂紋生長以及壽命計算的流程圖；
[0027]圖9A至圖9B圖示根據(jù)超聲檢測數(shù)據(jù)計算出的響應圖像；
[0028]圖10是圖示根據(jù)本發(fā)明示例性實施例計算出的裂隙的疲勞裂紋生長軌跡的圖；
[0029]圖11圖示其中可以實現(xiàn)本發(fā)明的示例性實施例的計算機系統(tǒng)；
[0030]圖12圖不一對表格；
[0031]圖13圖不一張表格；以及
[0032]圖14圖示三個示例性負荷循環(huán)。
【具體實施方式】
[0033]根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，提供了一種關于時間-相關的疲勞-蠕變斷裂分析的方法。本方法基于斷裂力學和塑性，并且為編程特別設計。系統(tǒng)性地包括了多個裂紋之間的相互作用、以及裂紋與轉子表面之間的相互作用。本方法可以具體體現(xiàn)在專家系統(tǒng)軟件諸如西門子AutoNDF中，其使用Microsoft Visual Stud1實現(xiàn),并且具有成熟的三維(3D)可視化能力。該系統(tǒng)直接支持關于概率疲勞壽命預測的非破壞性評估(NDE)試驗數(shù)據(jù)。
[0034]本披露如下組織。首先，給出高溫下時間-和溫度-相關的疲勞裂紋蔓延的理論基礎。另外，給出使用所開發(fā)模型的疲勞壽命預測的判斷分析。其次，根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，描述關于裂紋-裂紋以及裂紋-表面情形的相互作用準則。接著，介紹帶有加入了本發(fā)明示例性實施例模塊的專家系統(tǒng)AutoNDE。之后，用示例來示范操作本發(fā)明的方法和專家系統(tǒng)軟件。最后，給出結論。
[0035]通用疲勞壽命預測方法
[0036]本段給出高溫下疲勞壽命預測的方法、以及蠕變-疲勞裂紋生長模型、裂紋蔓延的時間-和溫度-相關性。
[0037]疲勞裂紋生長模型
[0038]高溫下裂紋尺寸增大通常表達為
da Γ tfo I I dal( t ^
「0039! —- = 1- + —— th\ I /
dN ldN\m UtL
[0040]其中，a是裂紋尺寸，而N是循環(huán)負荷的數(shù)量。
[0041]第一項說明純疲勞貢獻。下列公式中的Paris’模型是關于公式(I)中第一項的最常使用的模型之一。
P , -T
[0042]=Cn(AK)"1'(2)
IdNjcye 01 ；
[0043]其中，Ctl和Iitl是根據(jù)實驗數(shù)據(jù)估計出的兩個模型參數(shù)。Δ K是循環(huán)應力強度范圍。
[0044]公式(I)的第二項說明時間-相關的蠕變或疲勞-蠕變貢獻，是平均裂紋生長速率，而th是保持時間。可以使用(Ct)ave,以使時間相關的裂紋生長關于梯形加載波形相關。在保持時間，th期間、(Ct)ave定義為
[0045](€；)紐,二丄|>0(3)
f JO
1H
[0046]關于Ct參數(shù)的下列表達式已經示出，以表征在蠕變條件的較寬范圍內的蠕變裂紋生長速率。
[0047]Ct = (Ct)ssc+C*(t)(4)
[0048]其中，(Ct)ss。表示在小規(guī)模蠕變(SSC)區(qū)域中(Ct)的值，而Cf⑴表征在小規(guī)模蠕變與大規(guī)模蠕變條件之間過渡區(qū)域中C*的時間相關值。下面簡要介紹關于彈性、塑性、以及蠕變變形的兩種一般情況。
[0049]彈性、塑性、一次和二次蠕變
[0050]轉子鋼片的彈性、塑性、一次和二次蠕變變形速率可以用下列單軸本構方程描述。
[0051]+ σΒ'--Λρι + Ασα(5)
E
[0052]其中，Apρ和Ii1是描述一次蠕變的常數(shù)，而A和η是描述二次蠕變的參數(shù)。σ是應力。對于根據(jù)公式⑷和(5)表現(xiàn)的分量，用于估計Ct值的表達式由下列公式給出
[0053](Ct )ssc = 2(1 - V2)/( 6 )
\ F J EW
[0054]以及
Γ ? cUt) *————-fC*(7)
[0055]K 1P、"
(l + p)rUp
[0056]其中，V是泊松比，E是彈性模量，K是應力強度，W是樣本寬度，F(xiàn)是幾何校正函數(shù)，F(xiàn)’是F相對于*的導數(shù)，而&'是由下式給出的蠕變區(qū)的變化率
產_ 2?
[0057]rc =^l —[(I + P% + ?,)4]7—^I——雨^Tl 麵(g )
2/Γ — V J(I + PfiMl — I) (I + PAfh ~ 羞)
[0058]根據(jù)有限元分析，β是確定為0.33的度量常數(shù)，而5^.(約= 0.4是裂紋尖端應力場的無量綱常數(shù)。項Inl是一次螺變指數(shù)的無因次函數(shù)(dimens1nless funct1n)。
[0059]
Inl = 6.568 — 0.4744I1J + 0,0404-- -0.001261";:( 9)
[0060]C;的值可以在關于Cf的表達式中用[(1+p) A1]1/(1+p)取代A、并且用II1取代η得到。
采用適當替代，通過積分公式(4)，可以得到通過彈性、塑性、一次和二次蠕變變形的材料關于(Ct)av6的表達式，
^β?:(β)(% 2\AK； F'\ InlE I^1fVl Yl ,2
l me ( v ^1^T'\jk(\^v2)\ ^ +P^ Λ|) Ai + pX?, —i)x
[0061]「 2 1' (10)
+^+c
J f“P
tH
[0062]Λ Kh是保持時間的應力強度范圍。tpl是時移常數(shù)，其說明由于塑性所致的蠕變延遲，并且可以用下式估計
響Hl-1llhP
/ \2 I 2
「 ?I 2π\(zhòng)1 ^v2I ,, 2π m -1 I/ ?, \
[0063]t ( =γΓΤ-S ~ (n\ 7 ?( 11 )
\1 + ρ + η{ μ, /,,丨 E rc (θ) ? +1L2σν J J
[0064]其中，ξ?0.55是來自有限元分析的度量常數(shù)，oy是屈服應力，而m是循環(huán)塑性指數(shù)。
[0065]只有彈性、塑性和二次蠕變
[0066]如果不考慮一次蠕變行為或假設可以忽略，公式(5)簡化為
[0067]e = —++Jcrn(12)
E
[0068]在這種情況下，公式(4)中的蠕變區(qū)膨脹率^是二次蠕變常數(shù)A和η的函數(shù)，并且表達為
-?..--Ι—'Λ"2
?/ fy ?-- -___..
[0069]rc = —K t n 1{ΕΑΥ χ?€(θ)( 13 )
η— 1.
[0070]α是比例因數(shù)，并且取決于來自蠕變區(qū)膨脹率表達式的η。α表示為
2
[0071]a =丄丨 fe.±l)......1"1(14)
2中W」
[0072]其中，對于3彡η彡13，a:: !: (W-λ,公式(7)中由項G描述的Cf的時間相關行為不適用。因此，對于由彈性、塑性和二次蠕變變形的材料，關于(Ct)ave的表達式具有下列形式剛 d—?.....^.....—=產]+ C- (15)
L.W γIh
[0074]這種情況下的蠕變延遲時間tpl由下式給出。
U-J
[0075]t —.......1..........二1...........1...........—(16)
pI EA r /H +1 2σν arc (Θ)
LJJ
/Ι/ι
[0076]在純蠕變條件下，(Ct)ave和^Γ由下式校正。
at
I
[0077]= B(C, Yave(17)
Idt 丄《
[0078]其中，B和q是兩個校準參數(shù)。使用關于循環(huán)相關裂紋生長的Paris’方程，公式
(I)可以寫成
[0079]
【權利要求】
1.一種疲勞壽命預測方法，包括: 計算所關注對象的臨界裂紋尺寸； 識別所關注對象的超聲數(shù)據(jù)中的第一裂隙； 判斷所述第一裂隙是與第二裂隙相互作用、所述第一裂隙是要與所述第二裂隙合并、還是所述第一裂隙是孤立的: 基于所述判斷，計算初始裂紋尺寸；以及 計算由于疲勞和蠕變所致的所述初始裂紋尺寸中的增大，以便判斷在所述初始裂紋尺寸達到所述臨界裂紋尺寸之前負荷循環(huán)的數(shù)量。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所關注對象包括渦輪發(fā)電機的部件。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中，所述部件包括轉子。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，當滿足關于相互作用的預定準則時，所述第一裂隙是與所述第二裂隙相互作用。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，當滿足關于合并的預定準則時，所述第一裂隙是要與所述第二裂隙合并。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，重復由于疲勞和蠕變所致的所述初始裂紋尺寸中的增大的計算步驟，直至所述初始裂紋尺寸滿足或超過所述臨界裂紋尺寸。
7.根據(jù)權利要求1中所述的方法，其中，負荷循環(huán)包括施加至所述對象的最小應力、施加至所述對象的最大應力、所述對象暴露的溫度、以及保持時間。
8.一種疲勞壽命預測系統(tǒng)，包括: 存儲裝置，用于存儲程序； 處理器，與所述存儲裝置通信，所述處理器以所述程序操作，以便: 計算所關注對象的臨界裂紋尺寸； 識別所關注對象的超聲數(shù)據(jù)中的第一裂隙； 判斷所述第一裂隙是與第二裂隙相互作用、所述第一裂隙是要與所述第二裂隙合并、還是所述第一裂隙是孤立的； 基于所述判斷，計算初始裂紋尺寸；以及 計算由于疲勞和蠕變所致的所述初始裂紋尺寸中的增大，以便判斷在所述初始裂紋尺寸達到所述臨界裂紋尺寸之前負荷循環(huán)的數(shù)量。
9.根據(jù)權利要求8所述的系統(tǒng)，其中，所關注對象包括渦輪發(fā)電機的部件。
10.根據(jù)權利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述部件包括轉子。
11.根據(jù)權利要求8所述的系統(tǒng)，其中，當滿足關于相互作用的預定準則時，所述第一裂隙與所述第二裂隙是相互作用。
12.根據(jù)權利要求8所述的系統(tǒng)，其中，當滿足關于合并的預定準則時，所述第一裂隙是要與第二裂隙合并。
13.根據(jù)權利要求8所述的系統(tǒng)，其中，所述處理器進一步以所述程序代碼操作，以便重復計算由于疲勞和蠕變所致的所述初始裂紋尺寸中的增大，直至所述初始裂紋尺寸滿足或超過所述臨界裂紋尺寸。
14.一種用于疲勞壽命預測的計算機程序產品，包括: 非暫時性計算機可讀存儲介質，具有包含于其上的計算機可讀程序代碼，所述計算機可讀程序代碼包括: 構造成執(zhí)行下列步驟的計算機可讀程序代碼: 計算所關注對象的臨界裂紋尺寸； 識別所關注對象的超聲數(shù)據(jù)中的第一裂隙； 判斷所述第一裂隙是與第二裂隙相互作用、所述第一裂隙是要與所述第二裂隙合并、還是所述第一裂隙是孤立的； 基于所述判斷，計算初始裂紋尺寸；以及 計算由于疲勞和蠕變所致的所述初始裂紋尺寸中的增大，以便判斷在所述初始裂紋尺寸達到所述臨界裂紋尺寸之前負荷循環(huán)的數(shù)量。
15.根據(jù)權利要求14所述的計算機程序產品，其中，所關注對象包括渦輪發(fā)電機的部件。
16.根據(jù)權利要求15所述的計算機程序產品，其中，所述部件包括轉子。
17.根據(jù)權利要求14所述的計算機程序產品，其中，當滿足關于相互作用的預定準則時，所述第一裂隙是與所述第二裂隙相互作用。
18.根據(jù)權利要求14所述的計算機程序產品，其中，當滿足關于合并的預定準則時，所述第一裂隙是要與所述第二裂隙合并。
19.根據(jù)權利要求14所述的計算機程序產品，其中，重復由于疲勞和蠕變所致的所述初始裂紋尺寸中的增大的計算步驟，直至所述初始裂紋尺寸滿足或超過所述臨界裂紋尺寸。
20.一種疲勞壽命預測的方法，包括: 計算所關注對象的臨界裂紋尺寸； 識別所關注對象的第一裂隙； 判斷所述第一裂隙是與第二裂隙相互作用、所述第一裂隙是要與所述第二裂隙合并、還是所述第一裂隙是孤立的； 基于所述判斷，計算初始裂紋尺寸；以及 計算由于疲勞和蠕變所致的所述初始裂紋尺寸中的增大，以便判斷在所述初始裂紋尺寸達到所述臨界裂紋尺寸之前負荷循環(huán)的數(shù)量。
21.根據(jù)權利要求20所述的方法，其中，使用非超聲數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)所述第一裂隙和所述第二裂隙。
【文檔編號】G01N17/00GK104204769SQ201380014565
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2013年1月23日 優(yōu)先權日:2012年1月23日
【發(fā)明者】關雪飛, H.甄, 張競丹, 周少華, A.L.劉易斯, S.H.拉德克, 李欽圣 申請人:西門子公司, 西門子能量股份有限公司
專業(yè)數(shù)控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
