我国从 ,’年代末开始进行加速任务试车研究,参照苏联一些做法,在涡桨及涡喷发动机上,综合模拟了断裂、高循环疲劳、低循环疲劳、腐蚀和热疲劳等影响因素进行加速模拟试车,并取得一定进展。
事实证明,加速任务试车已经成为发动机研制过程中考核发动机可靠性和耐久性的有力手段,美国新版发动机结构完整性计划中已用它取代原先的 /’4持久试车。
二、加速试车基本理论
加速任务试车是建立在构件失效的物理模型基础上的。产生故障的原因来自于氧化、析出、扩散、磨损和疲劳等因素的作用,当构件中有害的反应持续到一定限度即发生故障。因此,构成加速任务试车的理论基础可概括为下列诸模型:
损伤累积模型。
熵的等效准则。
%静力机械载荷作用下的持久寿命模型。
&循环载荷作用下的持久寿命模型。
’硬化过程的持久寿命模型。
(磨损的简化模型(腐蚀和磨损模型),包括粘性磨损、弹性接触磨损、塑性接触磨损及腐蚀耗损。
)几种损伤模型的叠加模型。
根据试验和工程分析可概括为综合两类。
•’-•
"反应论模型反应论模型包括阿伦尼斯模型、多林模型、幂律模型和广义艾林模型。()阿伦尼斯模型阿伦尼斯模型来源于大量化学反应数据而总结与发展起来的,表示出反应速率与温度呈指数关系,推广到可靠性研究中时,寿命服从于指数分布规律,即
% &’ ()
加速系数 )*可表示为: [( )) )] [( ))]
"*%+, &’ & %+, ’
-
式中, —
—零件退化速度:
———频率因子;
’—
—温度退化指数;
)———加速时温度;
)———工作温度。
-
(.)艾林模型
在温度和应力同时作用下,采用艾林模型,即
’
) 23
/0 )% &
/1
式中, 0—
—退化量:
2———应力水平;
3———般为 4 56;当退化量达到规定的值 07,时,于是可得
加速系数 " *为 07, 0- )% & )’23*
-2)
"*** ( 2-3) ( ) ) %+,[ &’( ))]
-
(4)幂律模型
对于滚珠轴承疲劳及钢材料断裂等,当具有作用时采用幂律模型,其幂律模型的退化速度为
/0 23
/1
当退化量达到规定的 07,值时,加速状态下的产品寿命 *为
07, &0*
-
*(07, &0)(
-
在标准状态下的产品寿命 *-为
*-(07, &0-)( -寿命加速系数定义为标准状态下与加速状态下寿命之比:
"***- ( 22-))3
-
即加速系数取决于加速应力水平与正常工作时应力水平之比的某一幂次。•-98•
如果加速系数定义为故障比,则得故障率的加速系数为
"
式中,、 —
—分别为加速时故障率和正常工作时的故障率。
如果零件寿命服从威布尔分布时,则
%
" " ( ""&% ) ’" "" % 式中,"、"—分别为威布尔分布的正常工作时特征寿命和加速时特征寿命;%—
—形状参数。 ()退化模型或损伤累积模型该模型描述材料受循环应力的退化过程。在这类模型中线性损伤累积模型得到广泛的采用,其原理为迈纳原理,它假定应力水平的变化并不改变构件退化或失效机理,只要材料内积累的能量达到一定值就会引起构件失效。因此有
*+
"’
,+
式中,*+ ———材料在循环应力 -+作用下的工作循环数;
,+ ———-+作用下的循环寿命,它可以从材料的 -.,曲线得到。
三、加速试车方法
’)加速试车方法分类
根据加速方法的不同,加速任务试车分类如下(如图 / .0 .(所示):
图 / .0 .(1根据不同加速方式的加速任务试车的分类 减缩试车,即从试车程序中剔除较低的稳定状态,以及将交变状态按持久强度和低循环疲劳等效到最恶劣的稳定及交变载荷状态。 %提高在单位时间内的循环数试车。 •’//•
加强载荷状态试车(与实际使用相比,在载荷、速度、温度及其他一些性能参数值较高的情况下产品要达到的功效)。在发动机进行加强试车时,温度是最基本的加速要素。在温度的影响下,材料的力学性能会发生变化,断裂应力极限下降,碰磨加剧,老化加速等。
阶梯型载荷(叶片)以及带有周期性加强状态的加速任务试车是加强试车方法的一种方式。叶片采用加速任务试车方法能够在持久试车时间缩短 " "倍的情况下,给出用金属和合金制造的产品和样品的耐久极限。这些金属和合金的屈服疲劳强度曲线存在一个平直段。
带有周期性加强状态的加速任务试车用在加力状态下,这种试车还被推广到其他产品,它们的故障模式应是由部件逐渐积累的磨损所引发的。通常表现为控制参数发生单调的变化。这种方式还没有应用到复杂的产品,因为它们不能靠单一参数表征其极限状态。
“完全破坏”的方法是建立在损伤线性累积和后期寿命损耗,不取决于载荷历程的原则上。减缩持久试车还要考虑某些装置与技术条件中规定的相比刚性较强以及输出控制参数的容许偏差。
在一些组合的加速任务试车中通过几种方法的配合来达到加速效率。
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