大功率發(fā)動機活塞蠕變-疲勞可靠性分析方法研究

趙 丹, 劉 勤, 劉 英, 李 娟

(中國兵器工業(yè)質(zhì)量與可靠性研究中心， 北京 100089)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

大功率發(fā)動機活塞蠕變-疲勞可靠性分析方法研究

趙 丹, 劉 勤, 劉 英, 李 娟

(中國兵器工業(yè)質(zhì)量與可靠性研究中心， 北京 100089)

針對大功率發(fā)動機活塞在周期性爆發(fā)壓力、活塞銷反力、高溫及循環(huán)熱載荷復(fù)雜工況下經(jīng)常出現(xiàn)的蠕變-疲勞故障現(xiàn)象，通過試驗和數(shù)值模擬方法研究材料、高溫等因素對蠕變-疲勞故障的影響規(guī)律，提出基于故障物理的機械可靠性設(shè)計分析技術(shù)，以故障機理為單元，分別建立蠕變、疲勞及其交互作用的損傷模型，利用損傷等效方法建立基于線性損傷累積的活塞蠕變-疲勞可靠性模型，對活塞可靠度、靈敏度和可靠壽命進行了分析計算,并對計算方法進行了對比驗證，計算結(jié)果與傳統(tǒng)蒙特卡洛法計算結(jié)果接近，但計算量明顯減少。

活塞；蠕變-疲勞故障；可靠性分析；故障物理；損傷等效

為滿足新一代主戰(zhàn)坦克和新概念未來作戰(zhàn)系統(tǒng)對高緊湊、輕量化推進系統(tǒng)的需求，國內(nèi)外均在積極發(fā)展高功率密度發(fā)動機，以德國MTU890發(fā)動機為例，其單位體積功率達到1 358 kW/m3，而單位功率質(zhì)量僅0.94 kg/kW，與相同功率的普通發(fā)動機相比，質(zhì)量和體積減小約60%?；钊前l(fā)動機中直接承受熱載荷和機械載荷綜合作用的運動部件之一，其工況惡劣，失效機理復(fù)雜。在發(fā)動機試樣研制、試驗過程中出現(xiàn)多起活塞連桿組故障，尤其在高原、高熱區(qū)域使用時，更為突出。對于大功率發(fā)動機活塞，隨著其功率密度和轉(zhuǎn)速的不斷提高，活塞頭部位置的最高溫度達到350～400 ℃，所承受的最大爆發(fā)壓力達到22 MPa[1-2]?；钊诟邷亻L期作用下，不僅容易發(fā)生疲勞失效[3-5]其蠕變的影響不可忽視[6]，如某發(fā)動機活塞產(chǎn)生頭部裂紋?；钊粌H承受周期性變化的爆發(fā)壓力、活塞銷反力等作用，并且處于高溫和循環(huán)熱負荷狀態(tài)，其故障機理為疲勞與蠕變造成活塞內(nèi)部損傷[7-8]，且蠕變損傷的微孔洞生長與疲勞損傷的微小裂紋存在耦合作用，影響活塞壽命。

1 蠕變-疲勞故障影響因素分析

根據(jù)蠕變-疲勞故障的發(fā)生機理，本文從材料力學(xué)性能、高溫及載荷等幾個方面對蠕變-疲勞故障的影響因素分析。

1.1 材料力學(xué)性能

高溫下材料的力學(xué)和疲勞特性往往會發(fā)生急劇蛻化。為了研究高溫環(huán)境對材料性能的影響，對發(fā)動機活塞常用材料鋁合金試樣做拉伸試驗。圖1為材料力學(xué)參數(shù)隨溫度的變化情況。

由圖1可以看出，材料的性能參數(shù)均具有分散性，因此在對活塞進行靠性分析時，材料性能參數(shù)的隨機性是不可忽略的[9]。此外，隨著溫度的升高，材料在高溫下微觀組織發(fā)生的變化[10-11]，材料抵抗蠕變-疲勞的能力降低，產(chǎn)品壽命縮短。

1.2 高溫蠕變影響

為了研究高溫對結(jié)構(gòu)蠕變的影響，選擇拉伸試樣為研究對象，分別對環(huán)境溫度為200℃、300℃和400℃，機械載荷P為0.3σb、0.5σb、0.7σb進行了有限元數(shù)值模擬試驗，測定了40 min(2 400 s)內(nèi)蠕變變形情況。

圖2為各試驗溫度及不同載荷下，試樣最大應(yīng)變節(jié)點蠕變應(yīng)變隨時間的變化曲線。由圖2可以看出，隨著時間的增長，蠕變速率減慢，呈現(xiàn)出過渡蠕變和穩(wěn)態(tài)蠕變典型的兩階段特征[12]。隨著溫度的升高，同一時刻材料的蠕變應(yīng)變增加，材料抵抗蠕變變形的能力大幅下降。圖2(a)、圖2(c)比較可知，高溫環(huán)境下材料的蠕變變形對機械載荷十分敏感，環(huán)境溫度為400 ℃，機械載荷由0.2σb～0.7σb時，蠕變應(yīng)變增長5倍以上。隨著機械載荷、特別是溫度的增加，蠕變變形的大小呈指數(shù)、冪指數(shù)的關(guān)系增長[13]。

通過對蠕變-疲勞故障影響因素的分析可知，對活塞進行可靠性分析時，應(yīng)重點考慮活塞材料性能、工作溫度及載荷工況等因素?？煽啃越＿^程中，考慮到材料蠕變、疲勞特性與活塞構(gòu)件存在差異，在此參考機械設(shè)計手冊對其進行了修正。

圖1 不同溫度下的活塞材料力學(xué)性能參數(shù)

2 基于損傷等效的活塞蠕變-疲勞可靠性建模

在蠕變-疲勞故障機理作用下，研究零部件壽命的方法主要有3種[14]：第1種認為蠕變和疲勞互不影響，分別獨立進行疲勞壽命和蠕變壽命的計算，選擇兩種結(jié)果的較小數(shù)值，但所得結(jié)果與實際相差較大。第2種以疲勞或蠕變?yōu)橹鳎瑢⒘硪粋€故障機理作為影響因素。該計算方法計算簡單，適用于失效模式主次影響分明，耦合作用較小的情況。第3種將蠕變和疲勞同等對待，考慮它們對零部件損傷的共同作用及相互影響，這種方法能客觀全面的考慮蠕變-疲勞對零部件破壞的作用。

圖2 高溫和載荷對蠕變變形的影響

圖3 蠕變-疲勞損傷等效模型構(gòu)建流程

通過對活塞蠕變-疲勞故障機理及影響因素的分析，本文借鑒第三種方法，針對發(fā)動機活塞結(jié)構(gòu)發(fā)生的蠕變-疲勞故障，在分別研究單一故障機理和交互作用損傷模型基礎(chǔ)上，利用損傷等效方法建立蠕變-疲勞可靠壽命模型，建模流程如圖3所示。

2.1 蠕變損傷模型

由于活塞材料參數(shù)具有一定的分散性，將其視為隨機變量，利用Box-Behnke方法取樣，生成樣本，通過ANSYS進行蠕變分析，獲得活塞蠕變變形結(jié)果。利用最小二乘法你和蠕變相應(yīng)面系數(shù)，確定蠕變的響應(yīng)面函數(shù)，如式(1)：

εc=2×10-7×P+4×10-10×E+13.65×α+6.97×10-9×β+2.48×10-4×c1-2.57×10-8×c2-2.1×10-9×P×E+4.4×10-4×E×α+6.9×10-6×P×c1+6.4×10-10×β×c1-1.7×10-3×α×c2+1.0×10-5

(1)

式(1)中，E為彈性模量；α為線膨脹系數(shù)； β、c1、c2為蠕變參數(shù)。

假設(shè)一個發(fā)動機啟動-穩(wěn)定-停止循環(huán)，平均為2h。則每個啟動-穩(wěn)定-停止循環(huán)，活塞的蠕變損傷dDc為

(2)

2.2 疲勞損傷模型

根據(jù)發(fā)動機運行工況及活塞通常發(fā)生的低周疲勞，疲勞損傷Df可借助于Manson-Coffin公式計算[15]。對于平均應(yīng)變不為零的情況，采用工程上廣泛應(yīng)用的莫羅(Morrow)修正公式：

2.3 蠕變、疲勞交互作用損傷模型

蠕變、疲勞交互作用dDfc以疲勞損傷、蠕變損失和交互作用系數(shù)表示：

(5)

式(5)中，B為交互作用系數(shù)，與材料、溫度等有關(guān)。通過進行疲勞、蠕變試驗，統(tǒng)計確定交互作用系數(shù)B為0.187，B>0說明疲勞、蠕變的交互作用促進損傷累積。

2.4 活塞蠕變-疲勞可靠性模型

針對活塞工作過程中發(fā)生的蠕變-疲勞故障，本文采用故障機理可靠性分析方法，以故障機理為單元，通過線性累積方式構(gòu)建蠕變-疲勞總損傷模型

dD=dDf+dDc+dDfc

(6)

依據(jù)發(fā)動機耐久性試驗規(guī)范，試驗總時間1 000h，相當(dāng)于500次啟動-穩(wěn)定-停止循環(huán)。根據(jù)損傷累積準(zhǔn)則，總損傷累積至1時，活塞發(fā)生故障，由此建立極限狀態(tài)函數(shù)：

(7)

3 活塞可靠性求解及方法驗證

3.1 活塞結(jié)構(gòu)及工況

活塞連桿組是裝甲車輛發(fā)動機的傳動件，把燃燒氣體的壓力傳遞給曲軸，是直接承受火力的運動組件。由于工況惡劣，在發(fā)動機研制、試驗過程中活塞連桿組出現(xiàn)過多起故障。活塞連桿組主要由活塞環(huán)、活塞、連桿、活塞銷、連桿螺栓等零部件組成，其組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 活塞連桿組結(jié)構(gòu)示意圖

活塞作為重要組成部件，在工作時頭部承受很高的燃氣爆發(fā)壓力作用，大功率發(fā)動機缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力高達22 MPa?；钊^部與缸內(nèi)的高溫燃氣直接接觸，最高工作溫度達350～400 ℃。在發(fā)動機啟停循環(huán)時，循環(huán)的機械應(yīng)力和高溫環(huán)境作用造成活塞內(nèi)部產(chǎn)生損傷，發(fā)生蠕變-疲勞故障。

3.2 活塞可靠度靈敏度求解

根據(jù)活塞可靠性模型(式(7))，利用一次二階矩法，可得活塞的可靠度為0.997，失效概率為3‰。各隨機變量對活塞可靠度的靈敏度如圖5所示。材料抗拉強度σb、蠕變參數(shù)c1、斷裂延性εf對活塞可靠度影響的靈敏度較高，在結(jié)構(gòu)設(shè)計改進時，應(yīng)重點從這3個參數(shù)及其隨機性方面考慮。

圖5 活塞可靠性靈敏度

3.3 活塞可靠壽命求解

分別計算N0=700、800、900、1 000、1 100、1 200、1 300、1 400、1 500、1 600、1 700時活塞的可靠度，以曲線描述活塞可靠度、失效概率與壽命的關(guān)系，如圖6所示。

圖6 活塞可靠度-壽命關(guān)系

通過曲線插值，能夠確定任意給定可靠度的活塞壽命。例如，需要計算可靠度為0.5的活塞壽命時，可以通過活塞可靠度-壽命關(guān)系圖插值得到其可靠壽命約為1 600 h。即經(jīng)歷大概800次啟動-工作-停止循環(huán)，有一半活塞發(fā)生蠕變-疲勞故障。

3.4 計算結(jié)果驗證分析

為了驗證本文蠕變-疲勞可靠壽命計算方法，分別用傳統(tǒng)蒙特卡洛法和本文方法計算可靠度為0.9時的活塞壽命，本文方法計算一次需要進行7次迭代，繪制可靠度-壽命插值圖共需迭代77次。結(jié)果如表1所示。

表1 活塞可靠壽命計算結(jié)果

由表1可看出，本文計算方法與傳統(tǒng)蒙特卡洛法計算結(jié)果近似，計算量明顯減少。

4 結(jié)論

1) 基于損傷等效的蠕變-疲勞可靠性模型給出了蠕變損傷與疲勞損傷耦合作用的數(shù)學(xué)關(guān)系，客觀全面的反映了蠕變-疲勞故障的損傷累積過程。

2) 材料抗拉強度σb、蠕變參數(shù)c1、斷裂延性εf對發(fā)動機活塞可靠度影響的靈敏度較高，在結(jié)構(gòu)設(shè)計改進時，應(yīng)重點考慮這幾個參數(shù)及其隨機性，提高活塞的可靠性。

3) 蠕變-疲勞可靠壽命計算方法的結(jié)果與傳統(tǒng)蒙特卡洛模擬法計算結(jié)果接近，計算量大幅減小，提高了計算效率。

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(責(zé)任編輯 周江川)

Research on Creep-Fatigue Reliability Analysis Method of High Power Engine Piston

ZHAO Dan, LIU Qin, LIU Ying, LI Juan

(Quality and Reliability Center of China North Industries Group Corporation, Beijing 100089, China)

The piston of high power engine worked in the environments of periodic explosion pressure, piston pin reaction, high temperature and cyclic thermal. In order to study the creep-fatigue failure frequently appeared on the piston, the influence law of material and high temperature were studied by experiment and numerical simulation. A reliability design analysis method based on fault physics was put forward. Failure mechanism was treated as a unit. The damage models of creep, fatigue and their interaction were established respectively. The creep-fatigue reliability model of piston was established based on the linear damage accumulation method. The reliability, sensitivity and reliable life of piston were analyzed and calculated. And calculation method was compared with Monte Carlo method. Calculation results are Similar, but amount of calculation is obviously reduced.

Piston; creep-fatigue failure; reliability analysis; fault physics; Damage equivalent

2017-05-12；

2017-06-23 基金項目：武器裝備預(yù)先研究項目(51319010103)

趙丹(1984—)，女，碩士研究生，工程師，主要從事武器裝備機械可靠性研究。

10.11809/scbgxb2017.08.014

format:ZHAO Dan, LIU Qin, LIU Ying, et al.Research on Creep-Fatigue Reliability Analysis Method of High Power Engine Piston[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(8):58-62.

TP202.1;TJ81

A

2096-2304(2017)08-0058-05

本文引用格式：趙丹, 劉勤, 劉英,等.大功率發(fā)動機活塞蠕變-疲勞可靠性分析方法研究[J].兵器裝備工程學(xué)報，2017(8):58-62.