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裂纹发展趋势预估及转轮安全评估基础研究 摘要 疲劳裂纹是构件断裂事故的主要根源之一，混流式水轮机转轮叶片经 常出现大量贯穿性疲劳裂纹，严重危及电站的安全运行。混流式水轮机转 轮叶片出现裂纹或断裂的事故仍屡见不鲜，多在停机检修时，用超声、磁 粉探伤等方法检测转轮裂纹，而对裂纹在线监测，动态的预测裂纹扩展趋 势仍是一项技术难题。目前所遵循的水轮机转轮定期检查的规定已越显弊 端，对转轮叶片的裂纹状态进行监测已经越来越迫切。本文以国家自然科 学基金项目( 5 0 4 6 5 0 0 2 ) “混流式水轮机转轮叶片裂纹监测的理论和 方法研究为背景，研究疲劳裂纹扩展趋势预测；利用声发射技术对疲劳 裂纹进行动态监测，根据裂纹的声发射信号对裂纹的状态进行分析；对转 轮安全评估方法研究，为实现水轮机转轮状态监测奠定理论基础。 论文首先介绍了疲劳裂纹扩展机理、疲劳裂纹扩展预测方法，利用灰 色模型和神经网络对疲劳裂纹扩展进行预估。 针对水轮机转轮叶片产生的疲劳裂纹，通过三点弯曲疲劳试验，采用 声发射技术对金属疲劳裂纹的产生、发展、断裂过程进行监测，与传统的 裂纹检测技术相比，声发射不仅能够实时的捕捉到疲劳裂纹的产生，而且 能够得到与理论上疲劳裂纹扩展速率曲线相似的变化规律，建立了裂纹声 发射信号特征参量与应力强度因子之间的数学关系式，并利用人工神经网 络对裂纹的扩展阶段声发射源进行了模式识别，判断裂纹的危害程度。 介绍水轮机转轮结构、裂纹产生的位置，分析裂纹产生的原因和提出 预防裂纹产生的措施。根据混流式水轮机转轮裂纹的实际情况，研究基于 声发射和振动技术对转轮叶片裂纹在线监测的理论方法，并对转轮进行疲 劳寿命计算和安全评估基础方法研究，为实现对转轮在线监测和故障诊断 奠定理论基础。 关键词：混流式水轮机转轮裂纹扩展趋势灰色模型神经网络 声发射安全评估 r e s e a r c ho nt 砸c r a c kp r o p a g a t i o nf o i 冱c a s t a n dp r e l i m i n ar ys t u d yo n t u r b i 卜陋r in 岫r s a f t e ya s s e s s n t ， a bs t r a c t f a t i g u ec r a c k i so n eo f t h em a i ns o u r c e so f c o m p o n e n tf a u l ta c c i d e n t ，f r a n c i s t u r b i n er u n n e rb l a d e so f t e nr u nal o to f f a t i g u ec r a c k s ；s e r i o u s l ye n d a n g e rt h es a f e o p e r a t i o no fp o w e rp l a n t s t h ea c c i d e n to ff r a n c i st u r b i n er u n n e rb l a d ec r a c k so r f a u l t si ss t i l lc o m m o n p l a c e ，b u tt h em e a s u r e so f d e t e c t i n gr u n n e rc r a c k s ，s u c ha s t h eu l t r a s o u n d ，m a g n e t i cd e t e c t i o n ，t h ef r a n c i st u r b i n en e e dt ob es h u td o w na t m a i n t e n a n c et i m e ，t h ec r a c km o n i t o r i n go nl i n ea n dd y n a m i cf o r e c a s tc r a c k g r o w t ht r e n di ss t i l la t e c h n i c a lp r o b l e m a tp r e s e n t ，t h es h o r t c o m i n g so ft u r b i n e r u n n e ri n s p e c t i o nb y r e g u l a r h a v eb e e nm o r ea n dm o r e s i g n i f i c a n t ，a n dt h es t a t eo f 纰r u n n e rb l a d e sc r a c k sm o n i t o r i n gh a sb e c o m e i n c r e a s i n g l yu r g e n t i nt h i sp a p e r , t h ep r o j e c t r e s e a r c ho ft h e o r ya n dm e t h o do nm o n i t o r i n g c r a c ko ff r a n c i st u r b i n er u n n e rb l a d e s u p p o r t e db yn a t i o n a lf u n do fn a t u r a l s c i e n c e ( 5 0 4 6 5 0 0 2 ) a st h eb a c k g r o u n d ，r e s e a r c ho nf a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o n f o r e c a s t i n ga p p r o a c h ；u s i n ga c o u s t i ce m i s s i o nt e c h n o l o g yd y n a m i cm o n i t o r i n g f a t i g u ec r a c k , a c c o r d i n gt oa n a l y s i sb yt h ec r a c ko ft h ea e s i g n a lt oa n a l y s i st h e c r a c ks t a t e ；a p p l i c a t i o na c o u s t i ce m i s s i o na n dv i b r a t i o nt e c h n o l o g yt or u n n e r s a f e t ya s s e s s m e n t ，w h i c he s t a b l i s h e dt h eb a s i so ft h e o r yi nr e a l i z i n go n l i n e m o n i t o r i n gt h es t a t u so ft h et u r b i n er u n n e r f i r s t l y , t h ef a t i g u ec r a c kg r o w t hm e c h a n i s ma n dt h ef a t i g u ec r a c kg r o w t h p r e d i c t i o nm e t h o dw e r ed i s c u s s e d a l s o ，t h eg r e ym o d e la n dn e u r a ln e t w o r k s w e r eu s e df o rt h ef a t i g u ec r a c kg r o w t hf o r e c a s t ，a n dg i v e st h et u r b i n ec r a c k f o r e c a s tm e t h o d ，a n dm a d et h ea d a p t a t i o na n a l y s i s f a c e dt of r a n c i st u r b i n er u n n e rb l a d e st h ef a t i g u ec r a c ko nt h ef a t i g u ec r a c k g r o w t hm e c h a n i s m ，u s i n ga c o u s t i ce m i s s i o nt e c h n o l o g yd e t e c tm e t a lf a t i g u e c r a c ko nt h e r i s e ，d e v e l o p m e n t , f r a c t u r ep r o c e s s ，t h r o u g h t h es t r e t c ha n d t h r e e - p o i n tb e n d i n gf a t i g u et e s tt op r o v et h a tw i t ht h et r a d i t i o n a lc o m p a r e dt o d e t e c tc r a c k s ，a ec a nn o to n l yr e a l t i m ec a p t u r eo faf a t i g u ec r a c k ，a n dc a nb e t h e o r e t i c a l l ya n df a t i g u ec r a c kg r o w t hr a t ec u r v es i m i l a rt ot h ec h a n g e si nt h el a w t h ei n t r o d u c t i o no f t h ea e p a r a m e t e r sa n d c r a c kg r o w t hr a t eb e t w e e nt h ef o r m u l a a n dt h ee s t a b l i s h m e n to f ac r a c ka e s i g n a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dp a r a m e t e r so f s t r e s s i n t e n s i t yf a c t o rb e t w e e nt h em a t h e m a t i c a lr e l a t i o n s h i p s n e u r a ln e t w o r k sw e r e u s e dt ot h ec r a c ke x p a n s i o np h a s eo ft h ep a t t e r nr e c o g n i t i o n a f t e ra n a l y z i n gt h et u r b i n er u n n e rs t r u c t u r e ，t h ec r a c ko ft h ec a u s e sa n d p r e v e n t i o nm e a s u r e s t oc r a c kt h et r a d i t i o n a lo v e r h a u lo ft h ed e f i c i e n c i e s ，a n dt h e t u r b i n er u n n e rc r a c kt h eo n l i n em o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i so f n e c e s s i t yw e r e d i s c u s s e d ，t o o a c c o r d i n gt of r a n c i st u r b i n er u n n e rc r a c kt h eo v e r h a u lo ft h e a c t u a ls i t u a t i o n ，t ol a u n c ht e c h n o l o g yb a s e do na ea n dv i b r a t i o nt e c h n o l o g yt o c o n d u c tas e c u r i t ya s s e s s m e n tr u n n e r , a n dt h er u n n e r - l i n em o n i t o r i n ga n df a u l t d i a g n o s i s k e yw o r d s ：f r a n c i st u r b i n er u n n e r ；f a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o n ；g r e ym o d e l ； n e u r a ln e t w o r k s ；a e ；s a f e t ya s s e s s m e n t i i i 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相关知识产权 属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容。除已注明 部分外，论文中不包含其他入已经发表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内 容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 粼嘲学 少萨月爿名 学位论文使用授权说明 本人完全了解关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务： 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 出口时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 做储虢獬骞导师签 j o 瑟年易具5 日 裂纹发展趋戋旧页估及转轮安苣叶平1 古基础研究 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 材料或机件的断裂，在工程上是普遍存在，断裂造成的灾难性事故屡见不鲜。造成 断裂的原因很多，如材质缺陷、应力状态、残余应力、工作环境等。对于矿山、冶金、 动力、运输机械以及航空航天飞行器等，疲劳失效是其零件或构件的主要失效形式。根 据统计，疲劳断裂的比率占构件断裂的8 0 以上【l 】。实际的带缺陷构件在初次正常工作 加载时就发生断裂的情况并不多见，因为导致构件发生一次性断裂的缺陷一般是较大 的，这种较大的缺陷在无损探伤时易被发现。而存在于实际构件材料中的无损探伤未能 探到的小缺陷或裂纹，在长期的服役过程中，因为疲劳、应力腐蚀和蠕变等原因而扩展， 并最终在正常工作应力下发生突然断裂。因为疲劳断裂前不发生塑性变形，具有突发性， 经常给人们带来意外的灾难性的事故，造成巨大的损失。因此研究疲劳缺陷，尤其裂纹 的萌生、扩展规律，运用预测手段对疲劳裂纹的扩展预测进行预测，精确地估算或预测 构件的疲劳裂纹扩展趋势，预防结构发生灾难性的失效，避免生命和财产的巨大损失， 具有十分重要的现实意义和显著的经济意义。 水电是我国的重要电力资源，和其他可再生资源一起扮演着日益重要的角色。随着 科学技术的发展，电力设备正朝着大容量高参数方向发展。设备的安全稳定运行对整个 电网的可靠性影响甚大，大型混流式水轮机转轮叶片在运行中经常出现大量裂纹，转轮 叶片疲劳裂纹存在并扩展可能导致机组产生灾难性的破坏。传统的维修方法需要定期的 停产检修，具有盲目性，给生产带来很多不便。为了进一步提高水轮机组运行的安全性 和可靠性，研究一种疲劳裂纹早期诊断技术，对转轮叶片的裂纹状态进行监测已经越来 越迫切【2 l 。声发射技术作为一种新型的无损检测方法，是检测材料损伤，特别是早期损 伤的有力工具，也是对材料或结构状态进行动态监测的重要方法，已在石油化工、电力 工业、材料试验、民用工程、航空和航天工业、交通运输、机械制造等领域得到广泛的 研究和应用【3 】。研究利用声发射技术对转轮叶片裂纹在线监测，并对转轮进行安全评估， 实现转轮状态检修提供理论基础，将是提高水电站运行安全的重要措施，对提高社会经 济效益也起着重要的作用。同时，为其它设备的在线监测和安全评价提供可借鉴的检测 裂纹冀j 民趋势预估及转轮安苣啼簪估基础研究 技术。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 疲劳裂纹扩展趋势预测研究现状及趋势 目前，疲劳裂纹预测的物理模型主要有w a l k e r 线性模型、等损伤模型、闭合模型 和压载模型等【4 】。这些模型通常可分为两类：一类是在裂纹尖端塑性基础上建立起来的 裂纹扩展模型，另一类是在裂纹闭合基础上建立起来的裂纹扩展模型。文献 5 】利用p a r i s 定律推导出疲劳裂纹扩展尺寸的通用计算公式；建立了用三组实测数据预测疲劳裂纹扩 展尺寸的实用方法；并将通用计算公式推广用于预测工程构件中疲劳裂纹形状的变化， 提出了构件疲劳裂纹形状扩展尺寸的通用计算公式，对疲劳裂纹扩展预测。潘家祯【6 】等 利用n r 模型预测微裂纹的疲劳扩展，并且在铝锂合金、铜锌合金及1 6 m n r 钢疲劳扩 展的实验结果上修正n - r 模型，预测结果与实验结果基本吻合。这些模型都能对疲劳裂 纹的扩展机理进行定性的分析，但是在裂纹扩展过程中，裂纹扩展速率受各种不确定性 因素的影响，而且各参数大多具有分散性，因此裂纹扩展是一个随机变量，属于不确定 系统。物理模型能够定性地分析疲劳裂纹的扩展机理，但忽略了工程实践中出现的随 机、突变等因素，降低了模型的预测精度，造成预测与结果的不符。近些年来，在实验， 的条件下已证明疲劳裂纹的扩展是一种随机行为，并在此基础上建立了马尔可夫链等数 学模型，但大多复杂不易理解，需要高深的数学理论基础且不易进行计算与验证。 。 灰色理论模型是一种在信息缺乏情况下求解系统问题的途径，灰色g m ( i ，1 ) 模型及 其改进模型，进行数列预测成功应用于许多领域。金属结构和构件的疲劳裂纹在扩展的 过程中，会受到多种环境因素的影响，其中有许多因素的影响作用是不了解或不甚了解 的，是理所当然的灰色系统。江龙平【7 】等基于系统的观点和腐蚀深度、高载系数和载荷循 环等外界因素对疲劳裂纹扩展的影响分析，应用灰色系统预测模型对疲劳裂纹的三维扩 展进行动态预测和影响因素分析，建立了疲劳裂纹三维动态扩展灰色模型和灰色残差模 型，对试件疲劳裂纹三维动态扩展进行了拟合和预测，表明灰色系统模型具有较好的拟 合度和较高的预测精度。师小红等【8 】利用灰色神经网络的发射塔架疲劳裂纹扩展预测， 通过神经网络对灰色模型预测残差进行修正，预测的结果要比灰色模型的预测精度要 高。 神经网络由于具有通过学习逼近任意非线性的映射能力，将神经网络应用于非线性 2 裂纹发展趋势预估及转轮安全评估基础研究 的系统建模与辨识，可以不受非线性模型的限制，便于给出工程上易于实现的学习算法。 由于疲劳裂纹扩展是一个非线性系统，具有复杂性，采用神经网络预测裂纹扩展十分合 适。但直到现在，应用神经网络来描述疲劳裂纹的演化规律的研究仍不多见。王珉【9 】等用 b p 神经网络进行了疲劳裂纹扩展速率的估算。孙道恒【l o 】等基于裂纹闭合解析模型和神 经网络实现了疲劳裂纹扩展速率的计算。邓韧【l l 】等利用神经网络对短裂纹扩展速率进行 时序数据建模与预测，取得较好的效果。郑新侠，李小燕【1 2 1 建立了用屈服强度、抗拉强 度、断裂延性和循环加载应力比，预测疲劳门槛值的人工神经网络模型，可以很好地描 述疲劳门槛值与结构钢拉伸性能指标及应力比之间复杂的定量关系。 1 2 2 水轮机转轮裂纹及安全评估研究现状 水轮机组故障诊断与智能维护技术是近2 0 年发展起来的一门综合性学科，旨在研 究如何利用计算机及现代智能控制理论等手段设计一种系统完成水电生产过程设备的 在线故障诊断和智能维护。西方工业发达国家于8 0 年代初开始研究，在欧美工业大国， 无论是核电、火电还是水电机组的故障诊断与智能维护目前均已达到实用阶段。目前国 外已研制开发一批实用的产品【1 3 1 ，如加拿大f e s 公司的“水轮发电机局部放电分析仪 、 日本日立公司研制的“水力发电设备状态检测系统 、日本东京电力公司和东芝公司共 同研究开发的“抽水储能发电机组自动监测系统 、瑞士v m 公司研制的搿发电机气隙 监测装置 等。 长期以来，我国水电站的机电设备检修工作一直执行的是原水利电力部颁发的发 电厂检修规程，“水轮发电机组大修间隔，多泥河水电站为3 4 年，非多泥河水电站为 4 - 6 年，小修间隔为每年两次 。同时还规定了检修工期、项目。采用这种计划检修方式 不仅浪费大量人力物力，还使机组整体故障率增加，使设备总体寿命下降，设备管理人 员思维僵化，不利于设备的科学管理【1 4 】。与定期维修方式相反，状态维修是根据设备状 态监测、故障诊断以及预测技术，来及时发现设备的运行状态并预测其未来发展趋势， 以确定维修时间。因此，维修针对性强，有利于缩短维修时间，提高机组的可用率。 随着国外水轮机组故障诊断和智能维护技术的发展，我国从9 0 年代中期开始，首 先在火电厂引进和研究该技术，取得较好的应用效果。水电站的智能诊断和智能维护技 术刚刚起步，目前尚没达到实用阶段。我国在水轮机的在线监测方面的技术手段仍不完 善，只能实现效率、振动等指标的监测，而空蚀和磨损破坏情况只能通过目测检查或据 以往有关运行资料的累计和经验来了解【1 5 】f 1 6 1 。近年来机组故障诊断技术被提到议事日 3 广西大掌硕士掌位论文裂纹发展趋势预估及转轮安苣啼乎估基础研究 程，引起广泛的重视，为今后的故障诊断系统的开发和完善奠定基础。 水轮机转轮叶片是重要的零部件之一，它担负着把水能转化成机械能的重要任务。 转轮设计主要依据可供的额定压力和流量，容易因设计不当或运行不合理等原因而遭受 破坏【1 7 】【1 8 1 1 9 1 。转轮叶片的裂纹问题已成为水轮机设计和制造中的关键问题，对转轮裂 纹的预防和治理已经成为国内外关注的焦点。国内外许多厂家和研究机构都做了大量的 工作，对有关机组转轮裂纹事故进行了分析，提出了一些处理和预防措施。哈尔滨大电 机研究所和岩滩水电厂等单位联合对岩滩机组转轮叶片裂纹进行了分析，并进行了动应 力测试；v o i t h 公司对小浪底电站转轮裂纹进行了比较详细地分析和研究；东方电机股 份有限公司对李家峡电站叶片裂纹进行了研究和处理。目前国内外对水轮机转轮的研究 主要集中在动力特性的研究，即设计阶段或事故出现后，利用有限元软件对转轮的运行 状态进行仿真，查找不良状态产生的原因或在设计中预防不良状态的发生，而不能提供 一种主动的预测方式【2 0 】【2 1 1 。 转轮出现裂纹严重地危急电站的运行稳定性和运行安全，频繁停机焊补裂纹又给电 站造很大的经济损失。尽管从设计和制造方面进行了大量的研究，但仍不能完全解决好 混流式转轮的裂纹问题。目前还没有查到对混流式水轮机叶片裂纹在线监测的相关文 献，也未有对水轮机转轮在线进行安全评估方法研究。 1 3 声发射在疲劳裂纹检测中应用概述 1 3 1 声发射检测技术 声发射( a c o u s t i ce m i s s i o n ) 简称a e 指材料或结构内部局部区域在外力，内力或温 度的影响下，产生塑性变形或有裂纹形成和扩展时，伴随能量迅速释放而产生的瞬态弹 性波现象3 1 。a e 检测技术原理如图1 - 1 所示。 声发射源 h 材料中传播h ( 熊) h 背景噪声 声源定位和il 有害度评估li 丁土 图i - i 声发射检测原理 f i g 1 一la e t e s tt h e o r y 4 广西大学硕士掌位论文裂纹发展趋势预估及转轮安童时擎估基础研究 声发射检测技术不需发射探测信号，而只是被动监听由零件结构变化而发射出来的 声波信号，通过分析接收的信号，对声发射源位置、物理状态做出判断，是一种动态无损 检测方法。 1 3 2 声发射技术在裂纹检测中的应用 声发射( 肛) 技术具有动态、实时性，能够捕捉整个过程的信息，作为一种监测裂 纹扩展全过程有效的手段。声发射在材料研究方面取得了许多有意义的成果【翻，尤其是 对那些经典疲劳研究方法难以解决的问题，提供了一种新的研究手段。人们希望利用声 发射进行预报和测量裂纹的开裂点；研究金属材料或复合材料在静拉压状态下的力学性 能和声发射典型参数之间的关系，以及声发射技术在材料疲劳试验动态方面的应用，找 出声发射参数与材料的裂纹长度及应力强度因子之间的关系。刘学文等 2 3 1 采用声发射技 术监测焊接梁疲劳裂纹萌生及扩展，由累积声发射振铃计数与时间的关系曲线定义了焊 接梁损伤的三个阶段并提出材料疲劳累积损伤模型。刘孝敏等瞄】采用声发射技术监测了 受循环剪切载荷作用的钢腹板桁架疲劳过程三阶段的声发射特征，提出了一个裂纹稳定 扩展期间的振铃计数率和裂纹生长率之间的关系。 在材料的声发射监测试验过程中，受到试验机及夹具等因素的干扰，难以区别真正 的裂纹扩展信号和各种噪声信号，所以一般材料试验都是采用噪声干扰相对较小的静力 拉伸或低频疲劳试验，这样可以较为容易地排除噪声。近年来，肛技术日趋完善，已能 够在复杂背景噪声下对整个结构的疲劳裂纹扩展连续在线监测，并可根据接收到的a e 信 号对声发射源定位，构件的疲劳试验或在役使用中的声发射监测已进行了大量的实践。 特别是钢桥损伤部位、轴承磨损等声发射动态监测已有专用的商品仪器。李光海 7 - 5 1 等采 用软、硬件处理方法，从金属材料高频疲劳条件下采集的声发射信号中分离出裂纹扩展 信号，将声发射信号的能量与循环次数进行关联，得出声发射能量与疲劳循环次数及强 度因子之间的关系式，对裂纹的扩展速率进行预测。耿荣生【2 6 】等利用多参数识别和相关 技术在高背景环境下获取裂纹萌生所产生的声发射信号，并且在试验进行n s o o o d , 时的 时候预报出主梁螺栓孔不足0 5 姗裂纹的萌生。李耀东等【1 5 】利用模态声发射技术检测构 件疲劳裂纹，在波形分析中采用参数分析法提取声发射波形特征，建立模态声发射参数 和裂纹扩展速度之间的数学模型，计算疲劳裂纹扩展长度与实际检测的裂纹长度基本相 吻合。 5 裂纹裳展趋势预估及转轮安全评估基础研究 1 4 课题主要研究内容 课题来源于国家自然科学基金项目( 5 0 4 6 5 0 0 2 ) “混流式水轮机转轮叶片裂纹 监测的理论和方法研究”，分析疲劳裂纹扩展的规律，对疲劳裂纹扩展趋势预估；以混 流式水轮机转轮为对象，进行安全评估的基础方法研究。 1 分析疲劳裂纹的产生机理、扩展规律、疲劳裂纹工程预测方法；运用灰色模型和 神经网络对疲劳裂纹扩展进行预测，并比较它们的优缺点。 2 介绍了声发射检测原理、信号处理、降噪方法，将声发射技术应用在材料拉伸试 验和疲劳试验进行在线监测，揭示试件的破坏形式与声发射系统检测出来的特征参数图 的关系，利用检测的声发射参数图来判断试件的损伤程度，运用声发射技术预测裂纹的 萌生与扩展速率，运用神经网络对裂纹扩展阶段声发射源模式识别。 3 分析水轮机转轮叶片疲劳裂纹的成因和预防措施，并且探讨了对水轮机转轮疲劳 裂纹扩展预估。针对水轮机转轮叶片经常出现大量的贯穿性裂纹，危及电站的安全运行， 研究水轮机转轮疲劳寿命的估算，以及转轮安全评估的基础方法研究。 1 5 本章小结 本章主要介绍了课题来源、提出的背景；裂纹扩展预测和水轮机转轮裂纹在线监测、 转轮安全评估技术的研究现状和基于声发射裂纹检测技术进行了综述；总结了目前裂纹 扩展预测和安全评估方法，比较了各种方法的优缺点；阐述了本课题的主要工作内容及 其意义。 6 裂纹发展趋势预估及转轮安全评估基础研究 第二章疲劳裂纹发展趋势预估 金属结构的失效形式里，疲劳断裂是一种主要形式，它约占失效结构的8 0 以上。 疲劳( f a t i g u e ) 是指在某点或某些点承受交变应力，且在足够多的循环扰动作用之后形 成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部的、永久结构变化的发展过程。疲劳断裂是由 于金属结构在循环载荷的作用下，由于各种原因( 如应力集中等) ，引起疲劳强度降低 而产生裂纹，最终由裂纹的扩展而导致结构失效。疲劳断裂与静载下的断裂不同，无论 在静载下显示脆性或韧性的材料，在疲劳断裂时都不产生明显的塑性变形，而是在低于 材料屈服强度的交变应力( 即疲劳应力) 的反复作用下及其它各类环境因素形成初始裂 纹口o ，经亚临界缓慢扩展达到失稳扩展的临界裂纹尺寸q ，即裂纹尖端的应力强度因 子大于或等于材料的断裂韧度如后，突然发生脆性断裂。 疲劳失效现象的研究始于1 9 世纪初叶，随着蒸汽机车和机动运载工具的发展，以 及机械设备的广泛应用，运动部件的破坏经常发生。1 8 2 9 年，法国a l b e r t w a 用矿山 卷扬机焊链条进行疲劳实验，以阐明疲劳破坏的原因。法国的j - v 彭赛列首先论述了疲 劳问题并提出“疲劳”这一术语。德国a 沃勒在1 9 世纪5 0 - 6 0 年代最早得到表征疲劳性 能的s - n 曲线并提出疲劳极限的概念。2 0 世纪5 0 年代p j e 福赛思首先观察到疲劳过 程中在滑移带内有金属薄片挤出的现象。随后n 汤普孙等人发现这种滑移带不易用电解 抛光去掉，称为“驻留滑移带”。后来证明，驻留滑移带常常成为裂纹源。1 9 2 4 年德国的 j v 帕姆格伦在估算滚动轴承寿命时，假设轴承的累积损伤与其转动次数成线性关系。 1 9 4 5 年美国m a 迈因纳提出了疲劳破坏的线性损伤累积理论，称为迈因纳定律。此后， 断裂力学的进展丰富了传统疲劳理论的内容，促进了疲劳理论的发展。2 0 世纪2 0 年代 开始用概率统计方法处理疲劳试验数据。6 0 年代后期，概率疲劳分析和设计从电子产品 发展到机械产品，在航空、航天工业的先导下，开始了概率统计理论在疲劳设计中的应 用【2 8 1 。 裂纹萌生、发展到最后的断裂，是这一发展过程中不断形成的损伤积累的结果。这 一发展过程所经历的时间或扰动载荷作用的次数，称为“寿命 。它不仅取决于载荷水 平，还依赖于其作用次数或时间，材料抵抗疲劳破坏的能力。疲劳裂纹从形成到断裂有 相当长时间，构件的总寿命是裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命之和。近年来的一些实验结 果表明，金属裂纹的萌生和扩展是疲劳破坏的起始和重要的阶段，这个阶段在整个疲劳 7 裂纹发展趋势预估及晕哮鲁安- , 全1 f l t 估基础研究 寿命中所占的比例高达8 0 1 2 9 1 。按破坏循环次数的高低将疲劳分为两类。断裂周次在 1 0 5 1 0 7 或更高的疲劳现象称为高周疲劳，断裂周次低于1 0 5 的疲劳称为低周疲劳或低循 环疲劳。高周疲劳常常又叫做“弹性疲劳或“应力疲劳 ，而低周疲劳则被称为“塑 性疲劳 或“应变疲劳 。一般认为，高周疲劳研究涉及在循环载荷作用下变形与应力 为比例关系的疲劳破坏问题，低周疲劳领域则关心变形与应力之间不成比例关系的疲劳 破坏问题，即在循环载荷作用下，材料危险点的循环应力应变关系因塑性应变较大而 产生明显的迟滞回环，在这种情况下应变幅值作为控制参数将按一定规律制约疲劳损伤 的进程。 材料或构件疲劳具有以下特剧3 0 1 ： 1 ) 只有在承受交变载荷作用的前提下，疲劳才会发生。所谓交变载荷，是指随时 间变化的力、应力、应变、位移等，载荷随时间变化可以是规则的，也可以是随机的。 疲劳裂纹只在拉应力作用下才发生扩展，在压应力作用时，裂纹尖端处于闭合状态，不 萌生和扩展。循环应力幅值中只有拉应力部分才是疲劳裂纹萌生和扩展的驱动力。 2 ) 疲劳裂纹一般在构件的表面萌生，特别是尖角处。疲劳破坏则由应力或应变较 高的局部开始，形成损伤并逐渐积累，导致破坏发生。零件应力集中处，常常是疲劳破 坏的起源。 3 ) 疲劳是循环应力作用下的塑性变形损伤累积过程，足够多次的交变载荷作用之 后，形成裂纹或完全断裂，包括裂纹萌生、扩展和断裂三个发展过程。 4 ) 疲劳裂纹扩展方向取决于裂纹尖端应力场的最大主应力方向，裂纹沿着垂直于 最大主应力的方向扩展。 疲劳研究解决的主要问题有以下两方面的内容p 1 1 ：其一，精确地估算机械和结构的 寿命和安全检修周期，使机械或结构在设计预定的寿命期内安全地运行，即所谓的定寿； 二，从零构件的细节设计、材料选用、制造工艺优化、质量控制以及维修等各个环节， 采取有效而经济的技术与管理措施，以延长机械和结构的使用寿命，即所谓的延寿。第 三，通过对疲劳理论的研究，用较为简单的力学性能参量，如拉伸性能、断裂韧性等参 量，估算材料的疲劳性能，进而简化以至取代耗费大量人力、物力、财力的材料疲劳性 能实验或全尺寸构件在服役载荷下的疲劳实验，以及对不可能进行全尺寸疲劳性能实验 构件疲劳性能的评估。 8 广西大掌硕士学位论文裂纹发展趋势预估及转轮安苣啼簪估基础研究 2 1 疲劳裂纹扩展规律 当材料在远低于屈服强度的循环应力作用下，通常不会发生机械破坏。但是，如果 在构件中存在裂纹、夹杂物或突然的几何形状变化，则局部应力可能超过屈服强度，从 而会发生裂纹的萌生和扩展。外加循环应力每循环一次，裂纹将小量扩展，这称之为疲 劳裂纹扩展【3 2 】。根据疲劳裂纹扩展的特征，可把疲劳过程分为三个阶段。第一阶段称之 为裂纹萌生阶段。在循环加载下，由于物体的最高应力通常产生于表面或近表面区，该 区存在的驻留滑移带、晶界和夹杂，发展成为严重的应力集中点并首先形成微观裂纹。 其尺寸在1 0 。5 1 0 4 n 埘。因此，微裂纹一般都出现在构件表面，构件内部除非有重大冶金 缺陷造成的材料缺陷，裂纹源才会产生于内部或皮下，一般不易形成内部裂纹。该阶段 也可称为裂纹成核阶段。第二阶段称之为裂纹扩展阶段。这个阶段也可进一步细分为微 观裂纹扩展阶段和宏观裂纹扩展阶段两部分。微观裂纹扩展阶段：随着滑移次数的进一 步增加，微裂纹逐渐扩展，扩展的方向开始时与拉应力成约成4 5 。角的方向扩展，然后 逐渐过渡到垂直方向此阶段裂纹的扩展速率是缓慢的，一般为1 0 巧m m 每循环，裂纹尺寸 小于0 0 5 1 m 。宏观裂纹扩展阶段：这一阶段是指裂纹尺寸从0 0 5 r a m 扩展到临界裂纹尺寸 为止，其扩展速率为1 0 。3 m i l l 每循环。微观、宏观裂纹的扩展统称为疲劳裂纹的亚临界 扩展。一个含有表面初始裂纹( 深度a o ) 的构件，在承载荷作用下，只有在其应力水平 达到临界应力瓯时，即裂纹尖顶端的应力强度因子达到临界值吣时，才会立即发生 脆性断裂。当构件承受一个脉动循环的交变应力，则初始裂纹口0 在交变应力。作用下发 生缓慢扩展，当它达到临界裂纹尺寸以时，同样也会发生脆性破坏。裂纹在交变应力( 应 力循环n 次) 作用下，由初始值口0 到临界值口c 的扩展过程，称为疲劳裂纹的亚临界扩展 【3 3 】。第三阶段称之为最终破坏阶段。在这一阶段中，当裂纹扩展到呸时，即发生失稳断 裂。此阶段又可称为失稳扩展阶段。上述三个阶段的分界线并不明显。从工程应用来说， 一般认为形成初始裂纹a o = 0 0 5 - - 0 i m m 以前为裂纹萌生阶段：从口。扩展到临界裂纹尺寸 q 为裂纹扩展阶段；继而是快速裂纹扩展阶段，当裂纹扩大到使物体残存截面不足以抵 抗外载荷时，物体就会在某一次加载下突然断裂，导致最终破坏。 随着制造业的发展以及由于疲劳破坏而导致灾难性事故的大量出现，对结构的安全 可靠性提出愈来愈高的设计要求。近几年来大量采取的“破损安全 设计，就是容许某 些重要受力构件，当出现破损( 裂纹) 后，仍能保证在规定寿命期或检修期内安全可靠的 工作。此外，为了减轻结构的重量，设计上愈来愈多采用高强度或超高强度材料，其断 9 裂纹发展趋势预估及转轮安耋啼平估基础研究 裂韧度降低，脆性断裂的裂纹临界尺寸也就越小。对构件的剩余寿命的估算，以及运载 工具和压力容器检修期的合理制定，都要求必须掌握疲劳裂纹扩展速率。因此，研究材 料疲劳裂纹的扩展规律己经成为断裂力学的一个重要内容。 裂纹扩展速率是损伤容限和疲劳可靠性分析的主要依据。疲劳裂纹扩展速率用 出砌表示，即载荷循环一次的裂纹增长量。在断裂力学上，金属疲劳裂纹扩展率通常 用应力强度因子的幅值( 丛) 来描述，大量的试验观察表明，疲劳裂纹扩展率d a d n 在 全部a k 范围内不是线性的，通常可划分为三个阶段：( 1 ) 门槛值附近的低速率扩展阶 段，( 2 ) 稳定扩展阶段，( 3 ) 不稳定扩展阶段，如图3 1 所示的关系曲线，一般呈“s ” 型刚。 冒 、 3 _ o 图2 - 1 出讲一必曲线 f i g 。2 - 1c u r v eo f 出| 烈v s a k a 区为初始扩展区，该区存在一个疲劳裂纹扩展应力强度因子的门槛值刖匕，当a k 低于该门槛值时裂纹不扩展，高于门槛值时裂纹就亚临界扩展。随着a k 的增加裂纹扩 展速率也增加，在s 形曲线中进入曲线的中间断( b 区) ，此时d a d h 与a k 在双对数坐标 纸上呈直线关系，通常称之为稳定或线性裂纹扩展速率区。c 区通常称之为不稳定裂纹 扩展区。它以平面应变材料的断裂韧性值为渐进线，在该区内d a d n 急剧上升而产生瞬 间断裂。因为当最大应力强度因子趋于断裂韧性时，裂纹扩展速率增长甚速，从疲劳寿 命观点去看这一区域是不很重要的。该阶段的裂纹扩展也称作快速扩展区。在b 区直线 段，疲劳裂纹扩展速率与应力强度因子的关系一般采用半经验的p a i r 公式。 筹= c i ( ak ) 。 ( 2 - 1 ) 式中：c 1 和m 由材料决定的常数；a k 应力强度因子幅度， a k = k k ；口一裂纹长度；n - 疲劳的循环次数。 按照疲劳机理可以将影响疲劳裂纹扩展因素分成三类：( 1 ) 影响局部应力应变大小 l o 裂纹发展趋势预估及转轮安耋呻乎估基础研究 的因素，如载荷特性( 应力状态、循环特性、高载效应、残余应力等) 、零件的几何形状 ( 缺1 ：3 应力集中、尺寸大小) 等；( 2 ) 影响材料微观结构的因素，如材料种类、热处理 状态( 影响材料的延性、缺陷分布、缺陷的种类等) 、机械加工等；( 3 ) 影响疲劳损伤 源的因素，如表明粗糙度、腐蚀和应力腐蚀等瞰l 。 d a d n = f o ( 砭，a t y ，a ，r ，c ) ( 2 2 ) 式中k 材料断裂韧性； a o 应力幅； r 应力比； a 裂纹长度； c 环境温度。 2 2 疲劳裂纹扩展预测 疲劳就是材料在循环应力和应变作用下，在一处或几处产生永久性累积损伤，经过 一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。疲劳裂纹的生成与扩展有一个过 程，通常毫米级以上的宏观裂纹都是由微观的孔隙、瑕疵及其他的缺陷扩展、聚集演变 而成。这种损伤往往占构件寿命的8 0 9 0 ，而其形成、扩展、脆断所经历的时间一 般仅仅占构件总寿命的1 0 - 2 0 ，这为预测裂纹的扩展到断裂的时间打下了基础。因 此在工程上，常在检测小裂纹的基础上，预测裂纹的扩展过程，估计小裂纹扩展到断裂 的时间。 2 2 1 疲劳裂纹扩展预测方法 裂纹扩展预测就是根据工件的过去和现在的使用状态信息，运用现代数学方法，对 未来可能出现裂纹发展趋势做出科学测算。在疲劳裂纹扩展预测的建模方法中，可分为 两种类型：一种是根据疲劳裂纹扩展机理、结合数据处理方法和模型分析建立的疲劳裂 纹扩展特征参数和疲劳裂纹扩展时间之间的数学模型，称为分析法建模；另一种是根据 疲劳裂纹扩展试验结果，用纯数学方法来模拟疲劳裂纹扩展过程并建立疲劳裂纹扩展性 能随时间变化的预测模型。裂纹发展预测的流程图如2 2 所示。 裂纹发展按预测性质可分为： ( 1 ) 平稳预n - 是指预测的对象处于平稳状态的预测，这种预测由于对象处于平 裂纹发展趋势预估及转轮安苣婚平估基础研究 稳状态，因而对非线性拟合能力要求不高。 ( 2 ) 突变预测：指预测的对象处于突变状态下的预测，由于突变过程的非线性特 性可能导致灾难性后果，因此要求非线性拟合能力强，以便准确到突变的产生和发展过 程。突变是指裂纹从一种状态到另一种状态的转变，这种转变是有工件自身运动规律所 支配，因此也是有预兆出现的，是可以预测的。 图2 - 2 预测主程序流程图 4 1 f i g 2 - 2f l o wc h a r to fp r e d i c tm a i np r o g r a m 疲劳裂纹扩展过程涉及诸多因素，且疲劳裂纹扩展动力学、机理及其环境的影响纷 繁复杂，可以认为疲劳裂纹扩展过程是一种多因素( 断裂韧性、微结构尺度、应力幅、 裂纹长度、应力比和环境温度等) 综合作用的复杂的非线性动力系统，所以基于线性模 型的预测方法明显受到限制。因此把具有处理复杂非线性信号能力的灰色预测和神经网 络用于裂纹预测是十分适用的。 2 2 2 预测精度评估指标 可以采用标准差的估计值、标准差比率和偏差等指标来评估所拟合模型的精度。 1 标准差： 1 2 裂纹发展趋势预估及转轮安藿咭平估基础棒歼究 。驴( 击酗- x 1 ) 2 ) 2 刀为样本大小，测量值的个数。 g 为用最小二乘法拟合的未知量的个数。 2 局部偏差： e = x t x l 2 3 基于灰色模型裂纹扩展预测 2 3 1g m ( 1 ，1 ) 模型建立 ( 2 3 ) ( 2 _ 4 ) 灰色理论用于故障预测的原理是把被预测系统看成一个灰色系统，利用存在的已知 信息去推知含有故障模式的不可知信息的特性、状态和发展趋势，并对未来故障的发展 作出预测和决策，其过程即是一个灰色过程的白化过程。 采用灰色预测的步骤如下【3 6 1 ：选择反映裂纹扩展状态的向量鼍：建g m ( 1 ，1 ) 模型； 进行模型精度检验；用合格的模型预测裂纹的扩展；对于没有通过精度检验的模型，使 用残差辨识或切除前面部分数据的发建立新的灰色预测模型，并重复上述步骤。 灰色模型用g m 旭m 表示，其中n 表示阶次，n 表示变量数。其中最重要的同时也 是在实际中应用得最