（工程力学专业论文）大型离心压缩机焊接叶轮疲劳分析.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 叶轮是离心压缩机高速转子的核心部件，压缩机叶轮使气流加速、增压、升温，而 本身则主要承受离心力、气动力、激振力、外物冲击等循环交变载荷与动载荷作用。它 的结构、工作状态和工作环境十分复杂。在叶轮的高应力区，这些载荷与叶轮本身的焊 接残余应力叠加作用，使叶轮容易产生疲劳裂纹。叶轮的可靠性直接影响到整个压缩机 组的正常运转，甚至影响到整个机组的安全。因此，研究和分析叶轮疲劳性能已经成为 迫切需要的问题。 本文在广泛吸收国内外机械结构疲劳问题研究成果的基础上，对大型压缩机叶轮的 疲劳问题进行了大量的研究工作。主要从疲劳的基本理论入手，针对叶轮的实际运行工 况，综合考虑影响叶轮疲劳强度的各种因素，结合叶轮的强度有限元分析数据，采用热 点应力法对沈鼓集团某离心压缩机叶轮进行疲劳强度分析，评估叶轮的疲劳性能；并进 一步开展试验工作，采用红外热成像疲劳测试技术快速测定叶轮材料的疲劳极限，并将 该试验结果与传统疲劳测试方法得到的结果进行对比。疲劳分析后，对叶轮进行结构优 化从而提高疲劳性能。通过本文的研究，总结和摸索出一套大型离心压缩机叶轮疲劳设 计方法，并成功应用到实际的叶轮设计中，确保年产百万吨级乙烯装置( 及其类似装置) 用离心压缩机叶轮安全可靠和长周期、平稳运行。该文为今后的叶轮强度设计提出指导 性意见，为离心叶轮设计提供了重要的依据。同时该文也对结构疲劳试验技术进行了有 益的探索。 关键词：疲劳；疲劳试验：叶轮；压缩机 大型离心压缩机焊接叶轮疲劳分析 f a t i g u ea n a l y s i so fw e l di 枷p e l l e ro fc e n t r i 血g a lc o m p r e s s o r s a b s t r a c t i m p e l l e f s 越ec o r ec o m p o n e n t so fh i g h s p e e dm t o r so fc e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r sw m c h m a k em ea i m o wa c c e l 盯a t e d ，p r e s s 溉z e da n dh e a t e d t h es t n l c t i l 糟，s e n r i c es 衄m sa n d w o r k i n ge r i r o n m e n to ft h ei i i l p e l l e ra r ev e r y 唧l i c a t e d 血l et oc y c l i cl o a d i n g so f c e n t r i m g a lf o r c e ，a e r o d y n 枷cf o r c e ，e ) 出l n l a le x c i t a t i o na n di m p a c t 嬲w e l l 髂d ”l 锄i cf b r c e s t h o s el o a d ss l l p e r p o s e dw i t hw e l d i n gf e s i d u 甜s 垃e s s e sc a nc a u s ef a 缸p m ec r a c k si nl o c a t i o so f l l i 曲g 吨s s t h er e l i a b i l 时o f 血ei m p e l l c rd i r e d l ya 彘c t sm en o 珊a lo p e 洲o n 锄de v e i lm e s a f b t yo f t h ew h o l ec o m p r e s s o ru i l i t t h e r e f o r e ，i ti si l i g e n tt op u r s u et l l er e s e a r c ho na n a l y s i s o f t l l ef 缸i g u ep r o p e r t yo f t h ei m p e l l 札 t h i st h c s i sp r e s e n t sr e s e a r c h e so nf 矾i g u ep r o b l e mo fl a r g e s c a l ec o m p r e s s o ri n 巾e l l e r s b a s e do nt h es 衄t e o f - m e a nf a t i g u ea n a l y s i sf o rm e c h a i l i c a l 栅c t u r e s s t a r t i n g 、i t ht l l eb a s i c t 1 1 e o r yo ff 缸g u e ，v a r i o u s 缸姗a 如c t i n gt h ef a t i g l l es 慨n g t ha r et a ：k e ni t oa c c o u n t a c c o r d i n gt o 血ea c t i l a lo p 删o nc o n d i t i o no fm ei m p e l l 瓯n l eh o t 印o ts 吮s sm e 也o di su s c d t o 柚甜y z em ef a t i g i l es t r e n g t l lo f 圯i m p e l l e r 1 kf a t i g l l el i f ci so b t a i n e d 趾d 吐圮f a t i g l l e 脚e r 哆i se 、脚u a 把di l lc o m b i n a t i o nw i mm ef i n i t ee l e m e n t 纽m y s i s 趾dt h et c s td a t ao f f 砒i g u ep m p e r t y f l l i t h e r ，t h ei n 劬r e dt h e m a ii i n a g i n gt c c h n o l o g yi su s e dt og e tt h ef a t i g u e 蜘g t l lo ft h em a t e r i a l t h et v k i n d so ft e s tr e s u l t sa r cc o m p a r e d as h a p eo p t i m i z a t i o no f t l l ei 埘l p e l l e ri su s e dt oi m p m v et i l ef 耻i g u ep m p e r 哆啦e rt h ea n 出y s i s t h ep r e s e mm e m o d e r m b l e st h e 觚g u es t r e n g t 量1 锄a l y s i sf b r1 a r g e s c a l ec e 嘶向g a lc o m p r e s s o ri m p e l l e r s ，a n dl l a s b e e na p p l i e dt ot 1 1 ep r a c t i c a ld e s i g n t l l i se n s u r e st l l es a f e ，r e i i a b l ea n d1 0 n g - t e ms t e a d y o p e r a t i o no f 也ee t l l y l e n cd e v i c eo fo n c m i l l i o n t o np r o d u c t i o np e ry e a ra 1 1 dd e v i c e sa l i k e na l s o p r o v i d e sr e f e r e n c e 甜l dg u i d i n gs u g g e s t i o n f o rf 妇ei m p e i l e r s 仃e i 】g md e s i g n b e n e f i c i a le x p l o r a d o nf o rs t m c t u r e 枷g u et c s tt c c l 】n i q u e sa 陀p m v i d e di 1 1t 1 1 et h e s i sa s 、v e l l k e ) rw o r d s ：蹦g i l e ；f a t i g l l et c s t ；i m p e l l e r ；c o i l l p r e s s o r l l 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。7 作者签名：宣：j 丕压 日期：垒竺笪：! ：土 大型离心压缩机焊接叶轮疲劳分析 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交 学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 盔! 歪 蔫 导师签名：盈幺竺窆 碰链月上日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 课题背景及研究的意义 压缩机广泛的应用于土木、船舶、水利、石油、化工、机械、冶炼、制冷和矿山通 风等诸多重要行业。随着现代化生产的需求，工业对压缩机的性能要求越来越高。其性 能的高低直接影响着装置的经济效益和运行的安全稳定性，因而成为备受关注的心脏设 备。 叶轮是压缩机的耐久性关键件和断裂关键件，是压缩机的核心部件，它的可靠性直 接影响到整个压缩机组的正常运转，甚至影响整个机组的安全。叶轮的主要功能是传输 功率，属于主承力部件，工作时承受离心力、气动力、激振力、外物冲击等循环交变载 荷与动载荷作用。叶轮的主要失效模式是：循环疲劳、变形超限、疲劳断裂、振动开裂 等以及这些模式之间的相互作用。近年来，随着压缩机叶轮直径和出口宽度的增加，叶 轮裂纹发生的现象越来越频繁，严重影响到机组的安全稳定性，引起了人们的强烈关注。 欧美等发达国家历来十分重视轮盘疲劳寿命预测模型和试验评估方法的工作研究。 早在1 9 7 2 年，北约航空与发展顾问组( a g a 】r d ) 的结构和材料委员会( s m p ) 专门成 立了航空发动机疲劳寿命研究小组，汇集北约成员国各研究单位的研究进展，统一规则， 定期交流。他们的研究工作分基础理论和应用技术研究两个方面。前者研究解释引起疲 劳断裂的微观机制，后者从试验数据入手，预测实际工程零件的循环疲劳寿命，其中轮 盘循环疲劳研究是研究的重点之一【l “。俄罗斯、日本和澳大利亚等国的发动机强度和 寿命研究计划虽与欧美等国相比各有特色，但其基本思想和目标是一致的，都包含了轮 盘等典型构件的疲劳寿命预测模型合适与评估方法的研究内容1 4 卅。 在总结多年研究和设计经验的基础上，各发达国家普遍建立了自主的轮盘强度与疲 劳寿命设计分析体系。在国内轮盘疲劳寿命预测和试验评估大都参考国外已有的方法鼋 准则和规范。但却不完全清楚与其配套的分析模型、分析手段以及试验数据支持情况。 由于在材料、工艺、设计水平上与国外的差别，即使采用相同的设计方法和准则，也可 能得到不同的结果。另一方面国内的压缩机行业往往重视性能达标而轻视结构强度。因 此轮盘等构件的疲劳寿命预测方法很不完善，验证和考核明显不足，一些现役的和在研 发的压缩机轮盘疲劳故障屡见不鲜，严重影响了机组的使用寿命和可靠性。沈鼓集团为 某公司生产的某压缩机组在现场运转半年后，因机组振动过大连锁停机，后经转子检验 发现，叶轮多个叶片发生裂纹。断口分析的结论是：高周应力疲劳破坏。某炼油厂催化 裂化装置的a g 0 6 0 1 4 l 5 型轴流离心复合式压缩机由德国曼透平公司设计制造，共有1 4 级轴流叶片和一级离心末级叶轮，动叶采用哥廷根研制的叶型。该压缩机组自1 9 9 0 年1 月8 日投用以来，首级叶片曾发生过3 次断裂。l 群转子在连续运行了2 4 7 2 0 h 后，于1 9 9 2 1 大型离心压缩机焊接叶轮疲劳分析 年1 1 月9 日发生了第一次首级叶片断裂。1 存转子更换了有防腐耐磨层的首级进口叶片 之后，又连续运行了5 2 0 0 h ，于1 9 9 4 年1 月4 日又发生了第二次首级叶片断裂。1 群转子 换上了有防腐耐磨层的国产叶片后运行了4 4 8 8 h ，于1 9 9 9 年3 月2 6 日又发生了3 次首 级动叶片断裂。 大型离心压缩机投放市场之后，如果在耐久性方面如果出现问题将会给用户带来巨 大的经济损失，同时也会使大型离心压缩机产品失去竞争力。因此，沈鼓集团在承接1 0 0 万吨年乙烯装置项目之后，开展了专门对大型离心压缩机疲劳可靠性的研究。该项目的 实施目的，是要确保1 0 0 万吨，年乙烯装置用离心压缩机能够安全可靠的长期运转，为沈 鼓集团承接1 0 0 万吨年乙烯装置用压缩机提供技术条件和安全保障，并进一步提高沈鼓 集团大型离心压缩机产品质量和设计水平，促进大型压缩机轮盘疲劳可靠性模型和试验 评估方法的发展。由于大部分的大型压缩机叶轮是经过焊接工艺加工而成，所以其疲劳 寿命评估应依据相应的焊接疲劳设计规范。本论文是以沈鼓集团自主研发的焊接叶轮为 例，对其展开疲劳分析。 1 2 疲劳的相关理论及国内外研究状况 疲劳一词作为专业术语，用以表达材料或构件在循环载荷作用下的损伤和破坏。国 际标准化组织( i s o ) 在1 9 6 4 年发表的报告金属疲劳试验的一般原理中对疲劳所做 的定义为1 7 】：金属材料在应力和应变的反复作用下所发生的性能变化叫疲劳。美国材料 试验学回归疲劳的定义为：材料在某一点或某些点上受到变化的应力或应变，经过足够 次数的变化后最终产生裂纹或完全断裂，在材料结构中局部渐进发生的这种永久性变化 过程称为疲劳。虽然在一般情况下，这个术语特指导致开裂或破坏的性能变化，自从1 9 世纪中期疲劳被纳入科学研究的范畴至今，疲劳研究在不同尺度和层面上的研究方兴未 艾。 1 8 2 9 年德国人舢b e nwa 用矿山卷扬机焊接链条进行疲劳试验得知破坏原因后， 对疲劳研究已有近2 0 0 年的历史，人们对各种材料的疲劳性能进行了大量的试验研究， 形成了一套比较完整的理论体系嘲。， 疲劳通常指在循环载荷的反复作用下结构材料损伤、裂纹萌生扩展的过程【9 】，疲劳 破坏最严重的情况是在没有明显塑性变形时突然断裂，造成重大的危害和经济损失。在 工程上常将疲劳破坏划分为三个阶段：初期生核或裂纹开始( 萌生) 阶段、裂纹扩展阶 段、失稳断裂破坏或由于达到某种极限而破坏的最后阶段 1 州”。也有称为疲劳裂纹萌生 阶段、短裂纹扩展阶段和长裂纹扩展阶段【12 】。 对疲劳的研究，可从五方面进行分类【1o 】： ( 1 ) 按照疲劳对象，可分为材料疲劳和结构疲劳。材料疲劳主要是从失效机理、化 学成分、和微观组织方面研究对疲劳强度的影响，研究标准疲劳试验及其试验方法和数 2 大连理工大学硕士学位论文 据处理，特点是微观化和理论性较强。结构疲劳则以构件为研究对象，进行使用设计方 法、寿命估算、试验方法，试件的形状、尺寸、工艺等因素对疲劳强度影响的研究，特 点是宏观性和实用性较强。 ( 2 ) 按照失效周次，可分为高周疲劳和低周疲劳。高周疲劳研究范围是疲劳循环应 力低于材料屈服强度的疲劳现象，常称为应力疲劳；这是压缩机叶轮破坏的常见形式。 低周疲劳问题主要指疲劳循环应力接近或者超过材料的屈服强度时的情况，也称为应变 疲劳。 按照应力状态，可分为单周疲劳和多轴疲劳。单轴疲劳研究单向循环应力作用下的 疲劳。多轴疲劳是研究多向应力作用下的疲劳，也称复合疲劳。 按照循环载荷的变化，可分为等幅疲劳、变幅疲劳和随机疲劳。等幅疲劳的载荷幅 值恒定不变。变幅疲劳的循环载荷幅值不完全相等，这时的荷载也称为谱荷载。随机疲 劳的循环荷载幅值和出现顺序以及频率都是随机变化的，需从频域和时域两个方面描 述。 按照循环载荷的工况和工作环境，可分为常规疲劳、高低温疲劳、热疲劳、热机械 疲劳、腐蚀疲劳、接触疲劳、微动磨损疲劳和冲击疲劳。 压缩机叶轮处于高温高压的复杂工作环境，其疲劳破坏往往是多种疲劳组合因素造 成的。由于压缩机叶轮是由焊接工艺加工而成，疲劳破坏往往在结构焊缝形成的部位产 生，本文采用热点应力法对此进行数值模拟。因此，本文从焊接构件疲劳寿命模型、疲 劳评估方法以及设计规范和试验方法等方面展开，对结构疲劳寿命的理论研究和试验技 术等方面进行评述，并对焊接结构热点应力法国内外发展状况进行总结。 1 2 1 理论研究方法 目前有关结构疲劳寿命的预测方法主要有以下几种【1 3 ，1 5 1 ： ( 1 ) 名义应力法 名义应力法是以名义应力为控制参数，通过疲劳试验获得名义应力的疲劳寿命曲 线，即s n 曲线，通过载荷谱的分析，并按照一定的损伤累积法则来计算预测构件的 疲劳寿命。这种方法是以疲劳试验为基础，具有较高的可靠度，因而在工程上得到广泛 的应用。这种方法得到的疲劳寿命为总寿命，根据寿命的不同，可以分为无限寿命法和 有限寿命法。 无限寿命法的主要依据是疲劳极限，当构件在所受载荷作用下，相应的最大应力或 应力幅在考虑安全因素以后，仍小于疲劳极限时，可以认为构件的寿命是无限的。( 我 国的钢结构设计规范( g b 5 0 0 1 7 一一2 0 0 2 ) 和铁路桥梁钢结构设计规范 ( t b l o 0 0 2 2 一一9 9 ) 中关于钢结构疲劳部分就是名义应力的无限寿命法。) 有限寿命法的主要依据是s n 曲线。在等幅载荷作用下，对于给定的应力幅，通 3 大型离心压缩机焊接叶轮疲劳分析 过s n 曲线就可以求得疲劳寿命。但影响构件的s n 曲线的因素很多，完全依据试 验得到各种影响因素下的s n 曲线，不仅费时费力，而且还难以实现。随着对结构可 靠性的要求提高，名义应力法的疲劳寿命曲线还要求用可靠度p 的疲劳寿命曲线，即p s n 曲线。要通过试验得到构件的p s n 曲线，所花费的人力物力成本会进一步 增加。因此，名义应力法在工程应用中受到很大的限制。p s n 曲线是对构件进行疲 劳可靠性寿命预测的基本性能数据，也是表征材料疲劳可靠性性能的重要指标。北京航 空航天大学的高镇同教授等，对p s n 曲线的研究取得了较好的成果，提出了测定p s n 曲线的极大似然法及其相关理论，这些成果为减少疲劳试验成本，从有限的疲 劳试验中获得更多有用的试验数据，具有一定的理论意义和应用价值。 ( 2 ) 局部应力法 由于构件在几何形状变化的局部范围内存在应力集中现象，在这些部位往往要产生 一定的塑性变形，因而使得疲劳裂纹萌生。所以决定构件疲劳强度和寿命的主要因素是 应力应变集中区的局部应力应变。局部应力应变法正是基于这种思想，以局部应力和应 变为控制参数来预测疲劳寿命。这种方法假设：若一个构件的危险部位的应力和应变与 光滑材料试样的应力和应变相同，则它们的疲劳寿命也相同。因此，可以通过对构件的 局部应力应变分析与计算，并用光滑材料试样的疲劳寿命曲线来预测构件的疲劳寿命。 ( 3 ) 断裂力学方法 。 ， 以线弹性断裂力学为基础，认为材料内部存在缺陷，并把这些缺陷看作是裂纹，根 据材料在使用载荷作用下的裂纹扩展性质，即可预测其剩余寿命。按照断裂力学的观点， 构件内部的裂纹是不可避免的，只要适当的采取控制断裂措施，保证使用期内能够安全 的工作，这样的裂纹是允许存在的。1 9 6 1 年，p 撕s 将线弹性断裂力学理论应用于疲劳 寿命预测，提出了在横幅恒幅载荷下裂纹的扩展速率与应力集中因子幅值之间关系的 p 撕s 公式。后来f o 肋a 1 1 和w d k e r 考虑应力比r 对裂纹扩展机理及其规律的进一步认 识，发现了裂纹扩展的闭合效应，即裂纹在完全张开之前不会扩展，对疲劳裂纹有贡献 的部分是最大应力集中因予与张开应力集中因子之差，而控制疲劳裂纹扩展的是有效应 力集中因子；1 9 7 0 年，e l b e r 基于裂纹闭合效应的试验结果，发现了裂纹的扩展速度与 应力集中因子幅值的e l b e r 模型。对于变幅加载问题，人们还研究了载荷间的相互作用 对疲劳裂纹扩展的影响，发现了超载迟滞效应、负载加速度效应等规律，并提出了相应 的裂纹扩展模型。1 9 7 5 年，p e a r s o n 在研究疲劳裂纹扩展问题时，提出了短裂纹的概念， 并发现疲劳短裂纹快速扩展的现象，后来大量的研究表明：( 1 ) 短裂纹的疲劳裂纹扩展 初始值比长裂纹的低；( 2 ) 短裂纹疲劳扩展速率比长裂纹的疲劳扩展速率高。m i l l 凹在 大量疲劳试验的基础上提出，当裂纹长度在一定的范围内时，线弹性裂纹力学的p 撕s 公式已经失效，而应按弹塑性短裂力学关系公式进行修正，得到了一个既可以描述短裂 大连理工大学硕士学位论文 纹扩展速率又可以描述长裂纹疲劳扩展速率的模型。 h ) 损伤力学法 近年来，连续介质损伤力学成为固体力学的一个新兴的研究分支，在引入损伤的概 念以后，人们用连续损伤场描述了金属材料的空位、位错与微裂纹等内部缺陷及其对材 料本构关系的影响，从不可逆热力学原理出发，建立了损伤力学本构关系和损伤动力关 系。 2 0 世纪中叶，h 黜0 v 最初提出了用连续性变量描述材料受损的连续性能变化过 程。后来i 沁o n l o v 做了推广，为损伤力学奠定了基础。p 船s 和s c h 咒l l f s 提出了用数值 方法计算脆性损伤和疲劳损伤问题的理论。b a i d u r y a 和e n i n g w 0 0 d 采用损伤力学理论研 究了疲劳裂纹形成寿命预测问题。 用损伤力学理论预测疲劳寿命，考虑了损伤发展的非线性关系，在理论上更趋于完 善，物理意义更加明确。但是，损伤力学方法中有一个关键问题是损伤演化方程。目前 已经提出的疲劳损伤演化方程中存在如下几个方面的问题：( 1 ) 对高周疲劳，损伤的局 部化程度远高于低周疲劳，很容易受到材料的微观结构的影响，在理论上难以找到用宏 观准确描述损伤发展的演化过程；( 2 ) 目前所提出的疲劳损伤演化方程对于一维问题是 成功的，但对于多轴疲劳问题还有许多尚未解决的问题；( 3 ) 考虑材料损伤的本构关系， 使问题更加复杂化，损伤区域的尺度一般比切口底部的曲率半径低一个数量级，而损伤 影响区域也非常有限，这就使得数值计算十分繁琐和复杂，因而不利于工程应用。 纵观疲劳寿命预测的几种方法，每种方法各有特点，也各有局限性。随着疲劳裂纹 准理论研究的进一步深入，这些方法都会进一步发展并不断完善。 在旋转机械领域目前国内所徽疲劳分析工作主要是针对汽轮机、压气机、航空发动 机的转子、叶片等，也有学者对大型水压机转轮做了大量有关疲劳分析的工作。 汽轮机主要是在转子结构及材料的低周疲劳特性、高温蠕变、疲劳蠕变交互作用、 断裂韧性等做了大量试验和理论研究，并取得了一定的成果。 对大型水轮机转轮的大量有关疲劳分析的工作主要是研究转轮的工作载荷，分析转 轮在运行工况时叶片的工作应力的大小及分布从中找出开裂的原因；也有从转轮动应力 方面入手，在振动方面寻找叶片与某种激励频率发生共振等方面进行研究，都取得了 定的成效，也有文献考虑了焊接残余应力对转轮疲劳裂纹和疲劳寿命的影响。 目前，国内外的压缩机企业和学术界对压缩机叶轮的疲劳分析研究还比较少，总的 来说尚不够深入，没有形成适合工程设计的定量化的准则或规范。 1 2 2 试验方法研究 由于影响疲劳的因素比较多，准确预测金属结构疲劳寿命的工作比较困难。目前国 内外在解决这个问题时常采用以下几种试验方法i 】4 - 1 5 】： s 大型离心压缩机焊接叶轮疲劳分析 ( 1 ) 超声波探伤法 根据超声波的原理，利用结构对超声波发射信号测试，判断其内部裂纹的程度， 预测结构的疲劳寿命，因其测试费用昂贵，一般仅用于航空航天领域等较重要的机构和 设备上。 ( 2 ) 巴克豪森法 在铁磁材料磁化过程中，由于晶粒边界、夹杂、缺陷、位错局部堆积等的阻碍，致 使磁化过程不能连续进行，并在材料内部产生一种电脉冲信号，这种信号即为巴克豪森 现象。由于巴克豪森现象的灵敏度较高，故测得这种信号的交化即可推得结构晶体内的 微观变化，该方法还处在试验室研究阶段，主要用于早期阶段疲劳估测。 ( 3 ) 涂漆法 美国等一些国家研制出一种特殊用途的油漆，将这种油漆涂在需要测量的物体表 面，在物体受疲劳载荷作用后，该油漆表面将随之发生变性，然后用特殊的仪器测量其 变化量，并识别各种参数，由此可以得到结构的疲劳寿命。 ( 4 ) 光纤测试法 光纤测试是将光纤或集成光纤束的预制带粘贴到被测试件上，在结构受疲劳载荷作 用后这种材料的个别参数会随之发生变化，检测结构受疲劳作用后参数的变化，利用计 算机采集和分析，通过与预先输出的参数进行对比，预测结构的疲劳寿命。 ( 5 1 红外线热成像法 红外线热成像法是通过检测热流和热量来鉴定金属或非金属材料的质量，近年来已 被广泛应用于疲劳试验的研究，主要是通过热成像技术，测量动载荷作用下，材料内部 能量的耗散情况，来快速确定材料及构件的疲劳极限，本文在压缩机焊接构件疲劳试验 分析中进一步研究此方法，并将分析的结果与传统疲劳测试结果进行对比。 1 2 3 国内热点应力法疲劳分析研究现状 大型压缩机叶轮主要由焊接工艺加工而成，焊接结构的疲劳破坏所带来的损失是巨 大的。基于名义应力幅表述的s n 曲线，和基于热点应力幅表述的s 埘曲线，以及基于 缺口应力幅表述的s - n 曲线是三种主要的疲劳设计方法。 热点应力法是疲劳分析中常用的方法，热点一词源于疲劳实验( 或实地工作) 中最大 结构应力处( 手感) 发热这一现象，热点处最有可能成为疲劳裂纹发生的起始点1 1 6 1 ，相应 于该处的应力称为热点应力。英国b s 5 4 0 0 第1 0 分卷闭，指出具有复杂几何构形的焊接 结构应采用热点应力分析方法。1 1 w ( 国际焊接学会) 【1 8 1 也建议在对焊接结构进行疲劳损 伤评定时，应进行热点应力分析，用最为可能发生疲劳破坏部位处的应力幅作为疲劳设 计依据。 近几年，焊接结构的广泛使用，国内外对焊接件的疲劳问题研究十分活跃f 1 8 】。许 6 大连理工大学硕士学位论文 多学者采用有限元法来对焊接结构进行热点应力分析，确定热点区域的应力幅作为疲劳 设计的基础并进行了大量的疲劳试验。如欧洲空心焊接钢管结构委员会制作的空心焊接 钢管疲劳设计指南1 2 4 】，推荐使用有限元方法进行热点应力分析以确定最为可能发生疲劳 破坏的区域和该区域的应力幅，采用应力集中系数建立名义应力和热点应力之间的转换 关系，从而采用较为符合实际破坏部位的应力幅，来进行疲劳设计以及相关的疲劳评估。 t p a r t e n e i l 和e n e i n l i 【2 5 j ，采用热点应力方法整理了l a p p e e n r a n t a 大学在1 9 8 0 年和1 9 9 3 年进行的c - m n 不锈钢弧形焊接构件节点疲劳试验的结果，根据测试的热点应变，发现 l o o 个c m n 不锈钢焊接节点以及8 0 个不锈钢焊接节点的疲劳极限是相同的，认为不同 疲劳等级的焊接节点适合于采用以热点应力幅表述的s - n 曲线进行疲劳设计。s e l l l l gh 等【2 6 】，采用了试验方法和有限元法确定了五类焊接构件的应力集中系数，将以名义应力 表述的s n 曲线转换成以热点应力表述的s - n 曲线，统一了不同类型焊接构件的s n 曲线，并对一个实际工程中的焊接构件进行了疲劳设计。f r mas 胁i 和x _ l m a o 【z 7 j 对厚度小于4 m m 的t 型焊接薄壁方形钢管结构进行了平面内受弯试验，采用试验的方 法确定了热点区域和热点区域的应变，将以名义应力表述的s - n 曲线转换成以热点应力 表述的s - n 曲线。试验发现：t 型焊接的薄壁方管结构的疲劳试验破坏部位为t 型焊接 区域部位。p d o n g l 2 8 】从材料力学角度出发定义了用于疲劳应力分析的应力：结构应力 ( s 仃u c t u r a ls 仃e s s ) 。对不同类型的焊接构件进行了相应的结构应力定义，该应力的计算方 法可以在常用的有限元程序的后处理过程中进行相应的数据实现。g s a v a i d i s 等1 2 9 】采用 有限元方法对汽车底盘焊接节点进行了热点应力分析，确定了疲劳危险位置和相应的热 点应力幅，基于热点应力幅的构件疲劳寿命与疲劳试验得到的疲劳寿命相吻合。 相对国外而言，国内疲劳问题的研究起步较晚，从上个世纪5 0 年代开始，8 0 年代 得到迅速发展，有关热点应力法疲劳问题的研究国内学多学者做了有意义的工作。天津 大学的贾法勇等人研究了热点应力有限元分析的主要影响因素f 3 0 - 3 ”，并且利用热点应力 法分析了双相不锈钢焊接接头的疲劳强度。他对热点应力的4 个外推公式分别进行粗细 两种单元网格的划分，并使用不同的单元类型参与结果的对比。湖南株洲时代新材料科 技股份有限公司技术中心的贺才春，在法国国家自然科学应用技术研究所做访问期间也 开展了焊接疲劳方面的研究工作【3 2 l ，系统地介绍了热点应力方法以及多种典型模型，对 比了各模型的特点，给出了相应的适用性意见。上海交通大学的王甲畏、王德禹参与了 挪威船级社( d n v ) 就浮式生产储油船( f p s 0 1 焊接节点疲劳问题开展的部分研究工作( 3 3 1 ， 他们对船体焊接结构的热点应力进行研究，选取f p s o 某一局部结构采用有限元软件 n a s t r a n 计算确定热点应力，算出的热点应力考虑了局部焊缝几何形状的影响，再乘 以一个大小为1 5 的几何应力集中系数得到应力范围，由此推导出结构的疲劳寿命，将 计算结果和全尺度疲劳试验( 由d n v 完成) 结果进行对比，二者符合较好。东南大学的 大型离心压缩机焊接叶轮疲劳分析 周太全对香港青马大桥进行了关键疲劳构件的局部热点应力分析1 3 4 】，他对疲劳危险部位 处的焊接构件建立了三维有限元模型，施加了符合桥梁实际工况的载荷与位移边界条 件，进行了局部热点应力分析，确定了这些焊接构件内的名义应力和相邻焊接区域内热 点应力之间的关系，得到了相应的应力集中系数。 1 3 本文的主要工作 本文针对沈鼓的工程实际情况对压缩机焊接叶轮的疲劳特性展开研究，本文受国家 自然科学基金创新团队计划项目“计算力学与工程科学计算”( 批准号1 0 7 2 1 0 6 2 ) ，国家 高新技术研究发展计划项目( 2 0 0 7 a a 0 4 2 4 0 5 ) 资助。 ( 1 ) 总结疲劳的相关理论 介绍现有疲劳分析的特点，焊接结构疲劳失效的影响因素，焊接结构疲劳寿命分析 模型以及焊接结构的寿命评估方法等。并应用已有理论分析压缩机叶轮疲劳特性。 ( 2 ) 基于热点应力法的叶轮结构有限元分析 利用有限元软件a n s y s 基于热点应力法对叶轮进行疲劳分析，在分析中考虑几何 建模细节对计算结果的影响，改善网格奇异性问题；对旋转失速进行数值模拟，研究其 对叶轮疲劳性能的影响。 ( 3 ) 叶轮超速预加载分析 利用有限元软件a n s y s 对叶轮进行过载卸载- 力口载到额定载荷一卸载的超速预加载 分析，与正常加载做了对比，以研究超速预加载对疲劳性能的影响。 ( 4 ) 压缩机焊接叶轮材料疲劳试验研究 传统的疲劳测试技术获得材料的s n 曲线，需要用大量的试件并花费很长的试验时 间。本文使用红外热像法，采用红外线成像技术来获得压缩机时轮焊接材料的疲劳测试 结果，并与传统测试结果进行对比，为以后材料疲劳试验提供参考。 ( 5 ) 压缩机叶轮形状优化设计 利用有限元软件a n s y s 对叶轮进行形状优化设计，通过优化设计来降低叶轮的稳 态应力水平，从而提高叶轮的疲劳性能。 大连理工大学硕士学位论文 2 结构疲劳分析的理论知识 2 1引言 近年来，我国许多学者对轮盘结构疲劳可靠性进行了广泛的深入研究，取得了一系 列的成果f 3 5 _ 钉】，其中哈尔滨工业大学的郭懋林老师作了大量的试验和理论研究工作。一 般来说，结构疲劳可靠性可用于两个方面：一是结构设计方面，根据现有的参数，按照 结构需满足的工程疲劳可靠度，给出合理的设计要求；二是结构安全性方面，针对已有 的结构，根据其在各方面已折损的程度，利用可靠度为尺度做出分析，估计结构的安全 性和疲劳寿命特性，为维修及加固提供依据。 在疲劳可靠性分析的框架中。无论是建模还是在试验数据的采集上，尽管裂纹形成 与裂纹扩展同属于一个连续的疲劳失效过程，但他们却是被当作两个彼此独立的过程来 分别处理的。现行疲劳分析方法在下列几个方面尚有待于进一步的努力： ( 1 ) 研究如何有效降低疲劳分析对于大量实验( 特别是有关结构形状、尺寸及载荷等 的统计实验) 的依赖性，以及如何减少其处理方法中的经验性成份。 ( 2 ) 研究如何建立裂纹形成与裂纹扩展之间的关系，以期发现其各自的控制参数之 间的内在关系，从而改变两者被独立处理的现状井带来可观的应用价值。 ( 3 ) 研究如何获得关于任意疲劳失效过程区内的不断交化粉的应力、应变及材料刚 度等的细节描述，从而使我们对该力学现象有一个更为完整的了解。 2 2 疲劳寿命估算方法 疲劳寿命，是设计人员和工程技术人员十分关注的课题，也是广大用户切身相关的 问题。然而，在复杂疲劳载荷作用下的疲劳寿命设计又是一个十分困难的问题。因为要 计算疲劳寿命，必须有精确的载荷谱，材料特性和构件的s n 曲线，适合的累积损伤理 论，适合的裂纹扩展理论等，同时还要把一些影响疲劳寿命的主要因素考虑进去，要做 到这点，目前还十分困难。因此，目前国内外的疲劳寿命计算都还没有十分精确的方法， 只能做到估算或者说预算。 早期的疲劳寿命，是指构件在循环载荷的作用下，从开始加载到出现眼睛可见裂纹 这一历程，也就是说，早期人们认为一个结构件，只要出现眼睛看得见的裂纹，就认为 构件到寿命了。后来发现许多构件出现了眼睛可见的裂纹后，并不马上破坏，构件还能 承受一定时期循环载荷的作用，有的甚至可以经历很长的时间，所以提出新的疲劳寿命 概念。这新的寿命概念认为，疲劳寿命应该包括裂纹形成寿命和疲劳裂纹扩展寿命两者 的总和。疲劳寿命估算方法当然也就分为裂纹形成阶段的寿命估算和裂纹扩展阶段的寿 命估算了。 大型离心压缩机焊接叶轮疲劳分析 2 2 1 疲劳裂纹形成阶段的疲劳估计 疲劳裂纹形成阶段的疲劳寿命估算又分为常幅加载和变幅加载两种方法【悼1 9 1 2 2 1 1 常幅载荷疲劳寿命估算法 常幅载荷就是指载荷幅值永远不变的载荷，结构如果承受这种循环载荷作用，则它 ，一的疲劳寿命可用应力一寿命曲线( 即s 埘曲线) 或应变一寿命曲线( 一曲线) 估算。 ( 1 ) 对于高应力低循环次数的情况，疲劳寿命采用占一曲线确定。 若疲劳试样承受着轴向加载的循环载荷，由于应力比较高，所以试样在每次循环中 既出现拉伸，又出现压缩。试样的材料特性变化不同于原始材料的特性。在循环几次以 后，材料特性变化会慢慢稳定下来开始几周，软的金属材料会循环硬化，而硬金属材料 则会循环软化。机器或构件如果带有切口，切口根部周围的应变就会大大提高，疲劳裂 纹往往就在这些地方形成。构件的绝大部分地区仍处于弹性变形状态，然而切口根部却 进入了塑性应变状态。一旦总应变范围确定下来，那么在常幅加载情况下的疲劳裂纹形 成寿命就可以根据s n 曲线或根据应变一寿命公式估算出来。公式中的一些系数和指数 通过实验可以确定。 ( 2 ) 对于低应力高循环次数的情况，疲劳寿命采用s - n 曲线确定。 如果构件承受轴向加载循环载荷由于应力较低，实验可以控制应力。这时构件的疲 劳寿命就可用应力寿命曲线( 即s - n 曲线1 确定这种确定疲劳寿命的s n 曲线法，是最 早使用来评价部件寿命的方法，到目前许多人仍然采用它。 如果试样是光滑试样，则直接用s n 曲线就可估算疲劳寿命。如果试样或构件是带 切口的，那么就可用应力集中系数墨，将切口处的局部应力口转换为名义应力，即 s = 盯墨 ( 2 1 ) 再根据s - n 曲线估算构件或试样的疲劳寿命。 2 2 1 2 变幅载荷疲劳寿命估算法 变幅载荷就是指载荷幅值随时问而变化的载荷。在实际使用中，构件承受常幅载荷 的情况是很少的，绝大多数情况下，构件都是承受变幅载荷或随机载荷作用的。变幅载 荷下疲劳寿命的估算方法有下列几种： ( 1 ) 名义应力法 名义应力法实际上是一个传统的疲劳寿命估算法。所谓名义应力，就是指缺口试样 或要计算的结构元件的载荷，被试样的净面积所除得到的应力值，也就是该面积上平均 分布的应力值。 一般的说，构件或结构的实际破坏，往往是从结构内部或表面具有应力集中的缺陷 部位开始的。从理论上讲，应该用缺陷部位的局部应力来进行结构的疲劳寿命估算，但 大连理工大学硕士学位论文 是这样做有较大的实际困难因为缺陷往往是随机分布的，缺陷的尺寸和部位对各种结构 也是变化的，再加上残余应力的作用，使问题变得十分复杂。我们在作损伤计算和寿命 预计时，不可能对每一缺陷部位的应力或应变水平都进行理论分析和实际测量，因此， 不少人就采用名义应力法去估算疲劳寿命。 用名义应力法估算疲劳寿命的步骤为： 确定结构中的危险部位：一般都是根据应力测量、应力分析的结果，综合考虑 缺口附近的应力、应力集中系数来确定结构中的危险部位。或者参考以往的经验、使用 中破坏情况的统计资料来确定结构中的危险部位或薄弱环节。 确定疲劳载荷谱和实验应力谱：疲劳载荷谱一般是根据规范或实测得到，然后 依据数理统计方法将载荷谱转化为实验应力谱。一个构件或结构疲劳实验和寿命估算的 准确性，很大程度上取决于所给载荷谱的真实性。目前常用的载荷谱统计大多采用峰值 法，雨流法和双参数循环计数法。 建立对应与各应力谱的s - n 曲线：疲劳安全寿命估算中，最好使用实际零件部 件的s - n 曲线。但是由于各应力谱的平均应力不同，往往不可能对实际零部件作这么多 条s n 曲线，另方面，在初始设计阶段，也无法对实际构件进行实验。在这种情况下， 就可以采用标准试样的s - n 曲线，不过要注意，标准试样与实际构件，在材料、品种、 热处理或表面处理、应力比或者平均应力、载荷的加载方式、应力集中系数以及缺口形 式等方面必须完全相同。 选取合适的累积损伤理：疲劳损伤是指在循环载荷作用下材料的改变，疲劳累 积损伤是指每一循环载荷下，损伤增量的累积。累积损伤理论是研究在循环载荷下，材 料的损伤是按什么规律累积，累积到什么程度材料就会发生疲劳破坏的理论我们将在后 面详细介绍目前的累积损伤理论。绝大多数人都喜欢选用m i n e r 线性累积损伤理论，因 为这个理论比较简单，对于初始设计阶段，作为粗略的估算结构的疲劳寿命，m i n e r 理 论确实是一个实用的工具。 选取疲劳寿命的分散系数 ( 2 ) 局部应变法 疲劳寿命的估算，实际上往往需要处理复杂的几何形状和不规则的循环载荷历史。 局部应变法是这样的种方法，它把疲劳寿命的估算建立在最危险的切口或其他应力集 中部位的应力和应变的局部估算上。近几年来，这种方法得到了较大的发展。 ( 3 ) 局部应力。应变法 局部应力应变法应用了自五十年代以来的低周疲劳的研究成果，用一关系代替 了仃一曲线，用循环的仃一s 曲线代替了单调的仃一s 曲线。局部应力应变法的基本思 想，是认为零件和构件的整体疲劳性能，取决于最危险区域的局部应力应变状态。例 大型离心压缩机焊接叶轮疲劳分析 如，当缺口零件的厚度与缺口根部半径相比很小时，缺口根部材料接近单轴应力状态， 可以用光滑拉伸试样来模拟零件缺口根部的应力应变状态。如果光滑拉伸试样的应力 应变历史与缺口根部的局部应力应变历史相同，则可认为光滑试样的疲劳寿命就等于 缺口试样的裂纹形成寿命。局部应力应变法包括以下三方面内容： 材料的疲劳特性； 应力，应变分析； 损伤和累积损伤计算。 2 2 2 瘦劳裂纹扩展寿命估算 对于疲劳裂纹扩展阶段的分析，目前大都采用断裂力学的方法。它所描述的对象通 常为一条主裂纹在交变载荷下的扩展规律，其所采用的数学模型主要是由应力强度因子 或守恒积分所控制的各种类型的裂纹扩展速率公式。这种处理方法的指导思想是：由于 在扩展段的疲劳破坏行为将高度集中于裂纹尖附近，而该区域的应力、应变场的分布模 态，可以被认为与结构形状及远场载荷无关，而其幅值仅直接或间接的取决于应力强度 因子或守恒积分，从而，我们就可以用上述裂纹扩展速率公式来描述不同结构与不同外 载作用下的裂纹扩展行为关于应力强度因子或守恒积分的计算己有不少较成熟的方法。 所以，相对而言，现行对裂纹扩展阶段的分析水平较裂纹形成阶段无论在合理性还是在 准确性上都有显著的可取之处。用断裂力学方法估算裂纹扩展寿命的步骤是： ( 1 ) 确定构件上的初始裂纹尺寸，初始裂纹尺寸一般包括材料的冶金缺陷( 非金属 夹杂，第二相粒子等1 ，冷热加工和装配过程中构件表面产成的最大裂纹尺寸，使用中 受腐蚀环境作用产生的裂纹尺寸等。上述这些裂纹可用无损检验的方法确定； f 2 ) 确定应力强度因子芷； ( 3 ) 确定破坏判据，并通过破坏判据确定临界裂纹尺寸口，临界裂纹尺寸就是构件 发生破坏时的裂纹尺寸； ( 4 ) 确定从初始裂纹尺寸扩展到临界裂纹尺寸以所需要的循环次数，即确定疲劳 寿龠n ，。 2 2 3 各种疲劳寿命估算方法评价 到目前为止，关于疲劳寿命的估算问题，许多学者已经做了大量的研究，提出了不 少估算寿命的方法，上面介绍的只是其中较主要的方法。各种方法由于出发点和依据不 同，因此估算出的疲劳寿命也有差异。 用名义应力法估算疲劳裂纹形成寿命误差比较大，这主要是在这种方法中，没有计 及材料在载荷历程中的塑性变形过程( 微观和宏观的) 。虽然外加应力是弹性范围，但缺 口尖端的局部应力和局部应变常常进入塑性范围。由于塑性变行会引起残余应力，从而 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