专利名称：高温构件材料的寿命及寿命消耗的预测方法
技术领域：
本发明属于寿命预测领域，涉及预测高温构件使用材料的服役寿命及寿命损耗的方法，特别涉及到计算在一定可靠度下的寿命值及寿命损耗。
背景技术：
在核动力、发电设备、高速飞机、燃气轮机和高温高压反应等装置中考虑高温强度因素进行结构设计日益重要。高温材料的持久强度是其最基本，也是最重要的性能。并且是评价其它高温力学性能，如高温低周疲劳、蠕变裂纹扩展、应力松弛等的基础。高温设备的设计必须依据材料的长期持久强度来进行，而关键部件则要求以高置信度、高可靠性的持久强度作为设计依据。此外，实际和经济上的考虑要求构件的延寿，而这需要评价延寿可能带来的危险。
在剩余寿命预测及延寿评估中，由于试验的困难，工程上大多根据短时蠕变或持久性能数据来推测长期持久强度。Monkman-Grant关系根据稳态蠕变速率与温度T、应力的关系，得到持久寿命tr的表达式1tr∝ϵ·s=Aσnexp(-QcRT)---(1)]]>而Larson-Miller、Manson-Haferd、葛庭燧和Doan等人都基于各自的模型提出了温度-时间参数P(σ)＝f(T，tr)，利用温度-时间综合参数整理了持久寿命的参数外推法，从而使得A在较大的应力、温度范围内的持久性能数据可以整理到一个数据范围内，或用一条主曲线来表示。利用这种方法外推，例如Larson-Miller方法外推已成为许多工程合金持久性能数据的常用表示法。
Robinson寿命分数法则把损伤的积累看成是一个线性过程。基于以下两点独立假设即在一定的温度和应力下，蠕变损伤和消耗的断裂寿命分数是成比例的，以及每个载荷周期所引起的蠕变损伤是彼此独立的。得到Σititfi=1---(2)]]>Robinson寿命分数法则表明当式(2)的左边部分的累积等于1时，破坏产生。上述方法均表明对于精确的温度、应力和材料性能值，预测的寿命及受损耗的数值是确定的。
另外，在中国发明专利CN 1010130B、美国专利3950985、美国专利5042295中，构件寿命可以在精确地获得温度、应力的使用条件后，精确地计算出来。然而，由于工程构件的老化、损伤、失效受到众多随机不确定性因素的影响，例如设备在制造过程中或服役过程中产生的缺陷的大小、方位和形貌等往往具有随机不确定性质；或者由于冶金等方面的原因，会导致材料不均匀性；即使同种牌号、同一炉冶炼的材料，其力学性能也往往具有较大的分散性。这些都导致寿命预测结果的不确定性。由于持久性能实验需要在一定的温度和应力条件下进行，因此，在相同实验条件下的数据量比较少，统计分析结果的准确性受到局限。对于大多数材料而言，要得到在相同实验条件下的断裂寿命数据分布，是需要花费大量的时间和财力，实施的难度较大。
发明内容
本发明提供一种能有效利用实验数据来进行高温构件材料寿命的可靠性预测的方法，也提供一种基于可靠性计算高温构件材料的寿命损耗的方法。
本发明解决技术问题的方案如下确定在一定可靠度下高温构件材料的服役寿命及寿命损耗，包括确定材料在规定温度和规定应力下的断裂寿命值，依据一定的温度-时间综合参数确定持久寿命数据范围；利用最小二乘法确定数据的主曲线；计算上述持久性能数据偏离主曲线的程度；依据偏离值来确定数据的分布曲线；依据分布曲线根据可靠度来确定相应的数值；依据在各可靠度下的数值换算成在服役温度、服役应力下的服役寿命；根据在设定可靠度下的服役寿命计算在预定时间间隔产生的寿命损耗。
本发明的效果及益处是可以充分利用在不同温度和应力下的持久性能数据，获得较高置信度的可靠性分析结果，实现较高精度的高温持久寿命及寿命损耗的可靠性预测。所提出的方法适用于高温构件的寿命评估和延寿分析。
本发明的使用及步骤以及进一步的目的和优点可以参照以下附图能更好的理解。
图1是应力σ和温度-时间参数示意图。可以看见以应力σ和温度-时间参数P(σ)＝f(T，tr)关联的持久性能数据分布在一个数据带中，实线是根据数据回归的主曲线，可以表示为多项式P(σ)＝Z0+C1logσ+C2log2σ+C3log3σ(3)其中P(σ)＝f(T，tr)为温度-时间参数；σ为应力，T为温度，Z0、C1、C2、C3为常数。
在某些情况下，使用式(3)可能导致在低应力侧主曲线产生异常的偏折，从而产生错误的寿命预测结果，因此持久性能数据回归的主曲线也可以用下式表示P(σ)＝Z0+Alogσ+Bσ(4)其中P(σ)＝f(T，tr)为温度-时间参数；
σ为应力，T为温度，Z0、A、B为常数。
图2是数据点偏离主曲线距离的分布图，其中横坐标Z表示数据点偏离主曲线的距离，Z的计算用下式表示Z＝Z0+C1logσ+C2log2σ+C3log3σ-P(σ) (5)或者，对于主曲线表示为式(4)的情况下，Z的计算用下式表示Z＝Z0+Alogσ+Bσ-P(σ) (6)通常情况下，Z的数值服从正态分布。
根据图2的分布，可以获得在不同可靠度下参数Z的值。在获得不同可靠度下Z值的基础上，可以基于式(5)或式(6)计算在温度Ti，应力σi下的寿命tri；参照以上结果，对于在温度Ti，应力σi下的时间间隔Δti，在设定可靠度下的寿命损耗ΔDi可由下式计算ΔDi＝Δti/tri(7)具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
图3是根据5Cr0.5Mo耐热钢持久性能数据整理的结果，其中的温度-时间参数P(σ)＝T(20+lgtr)，图中主曲线表示为P＝17.56+11.4logσ-7.16log2σ+0.95log3σ (8)而数据点偏离主曲线的程度可以表示为Z＝17.56+11.4logσ-7.16log2σ+0.95log3σ-103×T(20+lgtr)(9)图4是5Cr0.5Mo的数据点偏离主曲线的Z值的分布图，检验得知分布服从正态分布。
根据所设定的可靠度95％、99％和99.9％，计算相应的Z值为0.3222，0.44020和0.5754，可以计算在规定温度T和应力σ下的寿命值tr。
例如基于以上结果，计算在温度773K，应力70MPa下，设定可靠度为95％、99％和99.9％时寿命损耗与服役时间的关系如图5所示，可以看到不同服役时间的寿命损耗值与可靠度之间的密切关系。
权利要求
1.一种高温构件材料的寿命及寿命消耗的预测方法，其特征在于利用可靠性来预测寿命及寿命损耗，实施步骤包括a.确定材料在规定温度和规定应力下的断裂寿命值；b.依据温度-时间综合参数确定持久性能数据范围，并确定主曲线；c.确定持久性能数据的分布曲线；d.依据分布曲线设定的可靠度，计算在规定温度、规定应力下的寿命；e.预定时间间隔除以设定可靠度下的寿命产生损耗值，损耗值表示在设定可靠度下预定时间间隔内的寿命损耗。
2.如权利要求1所述的高温构件材料的寿命及寿命消耗的预测方法，其特征在于利用持久性能数据偏离主曲线的程度来确定数据的分布曲线。
3.如权利要求1所述的高温构件材料的寿命及寿命消耗的预测方法，其特征在于利用设定可靠度所对应的数据偏离主曲线的值，计算得到规定温度、规定应力下的寿命值。
4.如权利要求1所述的高温构件材料的寿命及寿命消耗的预测方法，其特征在于预定时间间隔除以按权利要求3所得到的寿命值产生的损耗值，表示在设定可靠度下预定时间间隔内的寿命损耗。
5.如权利要求1所述的高温构件材料的寿命及寿命消耗的预测方法，其特征在于确定持久寿命数据范围采用试验条件的应力、温度，而计算设定可靠度下的断裂寿命则使用实际服役条件下的温度和应力。
6.如权利要求2所述的确定数据的分布曲线，其特征在于持久性能数据偏离主曲线的程度用下式表示Z＝Z0+C1logσ+C2log2σ+C3log3σ-P(σ)其中Z为持久性能数据偏离主曲线的程度；P(σ)＝f(T，tr)为温度-时间参数；P(σ)＝Z0+C1logσ+C2log2σ+C3log3σ表示持久性能数据范围的主曲线；σ为应力，T为温度，Z0、C1、C2、C3为常数。
7.如权利要求2所述的确定数据的分布曲线，其特征在于持久性能数据偏离主曲线的程度也可用下式表示Z＝Z0+Alogσ+Bσ-P(σ)其中Z为持久性能数据偏离主曲线的程度；P(σ)＝f(T，tr)为温度-时间参数；P(σ)＝Z0+Alogσ+Bσ表示持久性能数据范围的主曲线；σ为应力，T为温度，Z0、A、B为常数。
全文摘要
一种高温构件材料的寿命及寿命消耗的预测方法。本发明的特征是基于持久性能的实验数据的分布，进行高温构件材料寿命的可靠性预测并计算在一定可靠度下的寿命损耗。本发明的效果及益处是可以利用在不同温度和应力下的持久性能数据，获得较高置信度的可靠性分析结果，实现较高精度的高温持久寿命及寿命损耗的可靠性预测。本发明所提出的方法适用于高温构件所用材料的寿命评估和延寿分析。
文档编号G06F19/00GK1945269SQ20061004800
公开日2007年4月11日 申请日期2006年10月9日 优先权日2006年10月9日
发明者赵杰, 邢丽, 冯炜, 王来, 马海涛, 黄明亮 申请人:大连理工大学