基于相场模型的再生冷却推力室热机疲劳寿命分析

为了分析再生冷却推力室在服役过程中的应力/应变情况,研究循环热力载荷下推力室的变形与疲劳失效行为,建立热-弹-塑性耦合的疲劳断裂相场模型,并计算断裂序参量的演化过程,预测推力室结构的热机疲劳寿命。通过热传导方程计算结构的温度分布及热应变,根据应力平衡方程和相场演化方程计算热循环作用下结构中应力/应变和序参量演化,根据序参量达到临界值的循环数预测结构的热机疲劳寿命。结果表明:推力室内壁下表面中心点最先断裂失效,疲劳寿命约为91次。循环温度载荷作用下,内壁下表面中心点处残余拉伸应变不断累积,导致表面塌陷及内壁变薄,最终破坏。利用相场疲劳断裂模型研究推力室结构的热机疲劳失效行为,为预测发动机推力室结构疲劳寿命及辅助发动机再生冷却通道优化设计提供了新思路与方法。

发动机气缸盖热机疲劳寿命预测

采用子模型方法和Sehitoglu模型对某增压柴油发动机气缸盖开展了详细的热机疲劳寿命预测研究。通过采用缸内燃烧模拟分析、水套冷却分析来为缸盖温度场分析提供热分析边界,冷却水侧采用FEA与CFD耦合计算分析方法,使得计算边界条件更加精确合理。基于有限元方法计算了整机标定工况和怠速工况下气缸盖温度和应力应变,采用子模型方法并考虑材料非线性获得了气缸盖在发动机冷热交替热冲击试验工况下的应力应变历程。基于Sehitoglu模型计算得到了气缸盖热机疲劳损伤和寿命,计算结果表明该气缸盖最小寿命为5 038次,位于第3缸火力面排气座圈附近,高于轻卡评价标准5 000次寿命要求,热机疲劳损伤中由温度因素主导的氧化损伤占主导作用,其次是机械损伤,蠕变损伤贡献最小。

热机疲劳加载后316L拉伸性能与剩余疲劳寿命预测方法

研究热机疲劳载荷下不同疲劳周次和应变幅值对316L后续拉伸性能的影响,使用金相显微镜和扫描电子显微镜对断口以及断口附近表面形貌进行分析,并使用透射电镜观察不同疲劳周次下的位错结构,最后基于拉伸性能提出剩余疲劳寿命预测方法。结果表明,热机疲劳周次和应变幅值对拉伸性能的影响趋势明显不同,热机疲劳周次对拉伸性能的影响显著大于应变幅值的影响。热机疲劳周次和应变幅值的增加导致试样表面出现明显的宏观裂纹,材料韧性下降,在热机疲劳周次达到50%N f之后,试样的断裂模式由单纯的韧性断裂转变为混合断裂,热机疲劳过程中的位错结构演化是导致材料强度增加的主要原因。基于均匀延伸率、延伸率、均匀拉伸塑性应变能以及拉伸塑性应变能对剩余疲劳寿命进行预测,其中基于均匀拉伸塑性应变能的预测结果最为准确。

某缸盖热机疲劳分析

利用AVL-Fire对缸内工作过程和水套进行CFD分析,得到缸内及水套壁面的热边界条件,通过有限元技术把对流热边界耦合至固体传热的计算中,达到共轭传热的目的.分别完成了机械载荷和温度载荷下的缸盖应力计算,结合经过温度修正的材料特性,计算得到疲劳安全因子分布.分析结果表明:对于缸盖疲劳而言,热载荷贡献明显大于机械载荷;缸盖设计满足使用要求.

颗粒增强复合材料热机疲劳性能的模拟分析

针对颗粒增强复合材料,基于杂交应力元的基本原理,推导考虑塑性应变、热应变和蠕变应变的Voronoi单元。利用新单元模拟分析机械疲劳载荷和热疲劳载荷的相位关系及夹杂的拓扑结构对结构的热机疲劳迟滞回线影响。

基于能量法的气缸盖低周热机疲劳寿命预测方法研究

通过测试气缸盖本体解剖试样,获得气缸盖材料的循环应力应变特性,并利用仿真方法验证其合理性。在此基础上,依据发动机低周疲劳台架考核方法,运用子模型分析技术,得到考核循环内气缸盖火力面的应力分布和塑性变形特性。基于塑性应变能理论,结合试验测试,对火力面低周热机疲劳寿命进行预测和评估,分析表明排气鼻梁区的寿命较低,约为1 100次。

某汽油机排气歧管热机疲劳分析

建立了由额定转速全负荷、额定转速倒拖、怠速三个典型工况组成的排气歧管热载荷循环,采用有限元方法来获得各工况下排气歧管的瞬态温度场分布,并进行了非线性应力应变计算。最后,以排气歧管材料在热载荷循环中产生的等效塑性应变作为评价准则,对该排气歧管的热机疲劳性能进行了预测和评价。分析结果表明:该排气歧管设计满足使用要求。

基于Sehitoglu模型的发动机气缸盖热机疲劳寿命预测

以某发动机气缸盖为研究对象,开展了气缸盖本体材料力学性能测试与表征、气缸盖热机疲劳寿命预测研究工作。采用流固耦合方法,获得了准确的气缸盖热边界和温度场结果,温度场计算值与实测结果相符合。依照整机热冲击试验规范,采用Sehitoglu模型对缸盖的热机疲劳寿命进行了预测,仿真结果显示,缸盖最低寿命出现在第二缸火力面排气侧鼻梁区,主要由环境损伤引起,最低寿命为6860次,满足设计要求,该气缸盖顺利通过整机热机疲劳台架试验考核。

柴油机排气歧管热机疲劳失效仿真研究

针对某6缸重型柴油机排气歧管热机疲劳裂纹故障,采用仿真分析的手段对其失效机理进行了相关研究。研究表明:排气歧管在热机工况下,管身主要承受压应力作用,部分区域由于压应力过大发生塑性变形,在冷机工况时由于发生塑性变形的区域不能自由恢复至原状态,应力状态由压应力转化为拉应力,在这种反复拉压应力作用下发生疲劳失效。排气歧管的热机疲劳寿命采用基于Sehitoglu的热机疲劳理论进行了预测评估。

某柴油发动机缸盖热机疲劳分析

研究小组采用CFD(Computational Fluid Dynamics)-FEA(finite element analysis)耦合技术,通过Abaqus软件分析了发动机在怠速点、额定点的温度及应力分布,基于FEMFAT软件的Sehitoglu模型,实现疲劳寿命预测,热机疲劳分析基于应变-循环(E-N)准则,分析预测高、低温热循环应力作用下的寿命情况。该分析考虑了机械损伤、氧化损伤和蠕变损伤,分析结果表明:通过三大损伤的分析计算获得零件的总损伤及低周疲劳循环寿命,可以很好地预测缸盖等高温零部件的低周热机疲劳寿命情况,为发动机缸盖等高温零部件的设计提供了一定理论依据。

新型天然气发动机涡轮增压器热机疲劳研究

涡轮增压器蜗壳在周期性冷热交变的载荷下工作,容易产生热应力,导致蜗壳产生热机疲劳开裂,从而影响发动机性能甚至功能性失效。文章在传统的柴油发动机涡轮增压器研究的基础上,对新型的天然气发动机涡轮增压器进行了研究。通过实验研究气体与金属换热及对流情况,建立了气体与固体热交换模型,此模型可为后续的热机疲劳分析提供换热边界。同时对蜗壳进行了热机疲劳有限元数值分析,并与柴油发动机涡轮增压器蜗壳热机疲劳模型进行对比,根据分析结果,提出了天然气发动机涡轮增压器蜗壳冷热冲击试验的参考标准及蜗壳材料选择的指导性意见。

某增压发动机缸盖热机疲劳分析

我们针对增压发动机的缸盖热机疲劳破坏问题进行了系统模拟分析,通过对发动机全负荷-部分负荷-怠速工况的循环加载,系统地研究了缸盖在交变循环热载荷下的抗疲劳特性,并得出主要结论。首先位于缸盖水套内进排气气门之间的冷却液易产生泡核沸腾现象,影响缸盖该区域结构的散热性能;其次缸盖水套内进气气门倒角区域的疲劳安全系数低于设计限值,易产生疲劳裂纹,建议增大该区域倒角半径,同时增加该区域水套壁厚;最后缸盖上电热塞位置的累积塑性应变值最大,达到0.73%,但仍低于1%的安全限值。

再生冷却推力室热机疲劳寿命预测研究

针对液体火箭发动机再生冷却推力室内壁结构多发的“狗窝”失效问题,仿真再现循环载荷下塑性应变累积的棘轮效应,并定量分析其对推力室内壁结构寿命的影响。对推力室内壁进行三维传热分析,在传热分析结果的基础上对该结构在循环载荷下的应力应变演化进行非线性平面应变有限元分析。根据有限元分析结果,对内壁结构的棘轮效应展开描述并计算棘轮损伤,分别使用Morrow修正模型、Norton蠕变模型计算其低周疲劳损伤及蠕变损伤。基于Miner线性累积损伤理论,提出了综合考虑棘轮损伤、低周疲劳损伤及蠕变损伤的推力室内壁结构寿命预估方法。结果表明:喉部附近内壁下表面中点处会最先失效破坏,推力室内壁结构使用寿命为33次;在导致该点的总损伤中,棘轮损伤、蠕变损伤和低周损伤分别占比52%、32%和16%,说明了棘轮效应是导致推力室结构失效的主要原因。所提研究方法对液体火箭发动机再生冷却推力室结构的寿命定量分析、优化设计及未来可重复使用火箭发动机设计提供重要的工程参考。

模具用5Cr2NiMoVSi合金热机疲劳试验的温度场模拟

基于热机械疲劳试验,采用求解导热逆问题的分析思路,利用迭代法计算综合传热系数,给出5Cr2NiMoVSi高温合金感应加热过程中综合传热系数的计算流程。对试样在循环加热条件下的非稳态温度场进行仿真,对其数据进行分析。结果表明:试样温度随径向位置增加表现出先增加后减小。试样横截面的表面点在热机械疲劳试验前后的晶粒尺寸主要分布在5～30μm范围内,AGS出现了不同程度的降低,降低幅度在5%,可见热机械疲劳试验有助于提高试样的晶粒细化效果和合金材料的疲劳寿命。

镍基高温合金的热机械疲劳寿命预测模型研究

针对发动机热端部件常用材料镍基高温合金GH4169进行了200~450℃及400~650℃条件下的同相位热机械疲劳(TMF)试验,考虑TMF条件下多晶材料在弹性阶段产生的微观损伤应变能,提出一种适用于多晶材料的TMF寿命预测模型,并结合试验数据确定模型参数;采用GH4169、IN718、DD8三种高温合金对该模型的TMF寿命预测能力进行评估,结果表明,提出的寿命模型预测精度高于TMF寿命预测常用的Manson-Coffin模型和Ostergren模型。

压铸模具钢热机械疲劳损伤机制研究

热机械疲劳(Thermal Mechanical Fatigue,TMF)是压铸模具钢在高温和机械应力下的重要损伤形式。通过分析TMF加载条件下的疲劳断口特征,揭示其与传统低周疲劳不同的疲劳断口特征。研究发现:TMF的疲劳断口具有疲劳源区、裂纹扩展区和断裂区3个明显区域,其中裂纹扩展区面积最大;在不同加载条件下,断裂区的特征存在一定变化趋势。此外,在TMF过程中观察到断口表面的氧化现象在不同相位下呈现不同特征,这与加载条件及材料性质有关。研究还发现,在TMF过程中存在预缩现象,尤其在外部压力-热机械疲劳(External Pressure-Thermal Mechanical Fatigue,EP-TMF)条件下更为显著,这与低温半周塑性变形有关。

应变幅对SDHC钢热机械疲劳行为及微观组织演变的影响

采用MTS热机械疲劳液压伺服试验机研究不同机械应变幅(0.7%,0.9%,1.1%)下SDHC(4Cr5Mo2VCo)热作模具钢的热机械疲劳行为,借助扫描电镜、透射电镜等微观检测手段探讨材料热机械疲劳过程中的微观组织演变规律。结果表明:SDHC钢热机械疲劳应力-应变滞后回线关于原点呈非对称分布,应变幅值越大,滞回环面积越大,材料受到的损伤越严重;在应力循环响应曲线中,材料受到高应变幅作用时,能量损耗增加,寿命周期变短;应变幅值增加,位错缠结减弱,偏聚的位错逐渐散开,导致位错密度下降;组织中主要存在M_(23)C_(6),M_(7)C_(3),M_(2)C和MC型(M=Cr,Mo,V,Fe等)碳化物,应变幅值较小时,碳化物的析出与长大现象更为明显。

GH4169合金多轴热机械粘塑性本构模型及验证

为了更加精确地描述GH4169合金的多轴热机械力学行为,以Chaboche粘塑性本构模型为基础,引入了Lemaitre损伤模型、基于临界面理论的非比例强化因子和粘塑性势函数修正系数,提出建立了一种适用于GH4169合金的多轴热机械疲劳粘塑性本构模型,来描述材料的循环软化、非比例硬化和非玛辛效应,并给出了本构模型各参数的获取方法。采用此本构模型,对GH4169合金的多轴和热机械力学行为进行了模拟研究,结果表明:在20℃时,分别对轴向加载、扭转加载、比例加载、45°非比例加载以及90°非比例加载这5种加载条件下的第200次循环的迟滞回线进行模拟,轴向的应力峰谷值均与试验值结果吻合;在650℃时,模拟比例加载、45°非比例加载和90°非比例加载这3种加载条件下的第200次循环的迟滞回线,结果与试验值基本吻合,证明了建立的模型适用于高温条件;模拟300℃、550℃和650℃这3种温度下的单轴轴向加载和圆形路径加载的迟滞回线,结果与试验值基本吻合;模拟同相位与反相位加载条件下的第200次循环迟滞回线,修正后的本构模型的模拟值与试验值吻合良好。

SDYZ热作模具钢的热机械疲劳行为

通过拉-压对称的应变控制模式,在相同温度循环和不同应变幅(0.7%~1.1%)下对SDYZ热作模具钢进行热机械疲劳试验,研究了不同应变幅下的应力-应变滞后回线、循环应力响应曲线以及显微组织变化。结果表明:应变幅越大,试验钢的热机械疲劳应力-应变滞后回线包围的面积越大,试验钢的损伤越严重,疲劳寿命越短;热机械疲劳循环软化过程可分为初始不稳定、连续软化和失效3个阶段。热机械疲劳试验后,试验钢显微组织中的马氏体和碳化物粗化,且随着应变幅的增加,马氏体和碳化物粗化程度降低;随着应变幅的增加,疲劳裂纹的长度和宽度变大。

DD6单晶涡轮叶片热机综合疲劳试验研究

针对涡轮叶片考核部位的寿命问题,介绍了DD6单晶涡轮叶片热机疲劳试验方法。通过设计感应线圈进行高频感应加热,实现某一工作状态下涡轮叶片考核截面温度场模拟,同时使用U型铁氧体精细调节温差;通过设计的二位移调节机构控制拉伸载荷,实现涡轮叶片考核截面由离心载荷和气动载荷引起的应力场模拟。在保证内冷空气流量的条件下,进行了DD6单晶涡轮叶片热机疲劳试验,实现了涡轮叶片寿命预测方法的试验验证,同时为工程设计提供了试验依据。