本文關(guān)鍵詞：鋁合金蠕變—疲勞耦合特性研究及其在柴油機活塞壽命預(yù)測中的應(yīng)用

  更多相關(guān)文章： 鋁合金 活塞 蠕變—疲勞耦合特性 壽命預(yù)測 損傷演化 有限元方法

【摘要】：鋁合金材料具有比強度高、密度低、鑄造性能良好等優(yōu)點，在柴油機活塞結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用。近年來隨著柴油機功率密度和轉(zhuǎn)速的不斷提升，缸內(nèi)燃燒壓力和燃氣溫度大幅提高，這使得活塞所承受的熱負荷和機械負荷也更加嚴重。在這種載荷持續(xù)作用下，作為活塞材料的鋁合金內(nèi)部除了產(chǎn)生疲勞損傷之外，還會產(chǎn)生蠕變損傷作用，并且與疲勞損傷之間產(chǎn)生復(fù)雜、耦合的相互作用，，造成蠕變—疲勞破壞現(xiàn)象。 本文針對鋁合金材料的蠕變—疲勞耦合特性問題，從試驗測試、理論分析和數(shù)值模擬三個角度進行了研究。主要目的在于掌握鋁合金材料在高溫載荷下的蠕變變形特點和疲勞行為特征，獲得溫度、載荷等因素對鋁合金材料的循環(huán)變形和壽命行為的影響規(guī)律；借助于金相組織觀測和疲勞斷口分析，明確材料在疲勞破壞過程中的微觀損傷機理和組織演化過程和特點；基于損傷力學(xué)的分析方法，建立能夠?qū)⒉牧系娜渥儞p傷與疲勞損傷進行非線性耦合的蠕變—疲勞壽命預(yù)測模型；最后，基于上述模型和材料疲勞試驗數(shù)據(jù)，實現(xiàn)活塞結(jié)構(gòu)在變工況載荷下的蠕變—疲勞壽命預(yù)測分析。 論文主要的研究內(nèi)容和結(jié)論為： （1）鋁合金蠕變—疲勞行為研究 展開了鋁合金材料的單調(diào)拉伸力學(xué)性能測試，結(jié)果表明鋁合金材料在高溫下的抗拉強度急劇下降，說明溫度對材料的力學(xué)性能造成很大的影響。此外，通過高溫蠕變試驗研究了溫度和載荷對材料蠕變變形的影響規(guī)律，并基于ABAQUS軟件的二次開發(fā)實現(xiàn)了蠕變變形的數(shù)值仿真。 展開了鋁合金材料的高溫低周疲勞試驗研究，結(jié)果表明材料在循環(huán)載荷下表現(xiàn)出循環(huán)軟化現(xiàn)象，并且軟化程度隨著溫度的升高而逐漸加大。在所測試的溫度范圍內(nèi)，鋁合金材料的低周疲勞壽命隨著溫度的升高而增加。采用基于塑性應(yīng)變能的Halford-Marrow模型分析了鋁合金材料塑形應(yīng)變能與疲勞壽命的關(guān)系，結(jié)果表明材料吸收和耗散塑性能的能力隨著溫度的升高而增強。 （2）鋁合金疲勞斷裂及損傷微觀機理分析 采用金相觀測方法研究了鋁合金材料的疲勞斷口形貌、組織演化過程和損傷累積。結(jié)果表明，鋁合金材料的疲勞斷口呈現(xiàn)大量的晶間裂紋和撕裂棱，說明疲勞過程中蠕變損傷和疲勞損傷之間存在耦合作用。此外，隨著溫度的升高，疲勞斷口上撕裂棱數(shù)量更多、形態(tài)也更加細小，這些撕裂棱能夠有效減少應(yīng)力集中和裂紋擴展速率，這從微觀角度揭示了材料高溫低周疲勞壽命隨溫度升高而增加的機理。 （3）蠕變—疲勞壽命預(yù)測模型研究 基于連續(xù)損傷力學(xué)的分析方法，將材料的蠕變損傷與疲勞損傷進行非線性累積，建立了材料的蠕變—疲勞壽命預(yù)測模型，并采用蠕變—疲勞試驗數(shù)據(jù)校核了模型參數(shù)。隨后采用該模型預(yù)測了鋁合金材料的壽命，預(yù)測結(jié)果均位于2倍誤差帶內(nèi)，表明該模型具有良好的壽命預(yù)測能力。 （4）活塞在變工況條件下的蠕變—疲勞壽命預(yù)測分析 針對高功率密度柴油機活塞在變工況下的循環(huán)載荷特點，提出了活塞結(jié)構(gòu)的蠕變—疲勞壽命預(yù)測分析流程，并預(yù)測了活塞結(jié)構(gòu)在額定工況和最大扭矩工況循環(huán)作用下的蠕變—疲勞壽命。結(jié)果表明，活塞喉口位置為結(jié)構(gòu)的疲勞薄弱位置，蠕變—疲勞壽命為1388次。 本文的研究從材料的力學(xué)、蠕變和疲勞基本特性出發(fā)，同時借助于材料微觀組織觀測和損傷耦合的理論分析手段，研究了鋁合金材料的蠕變—疲勞耦合特性，建立了材料的蠕變—疲勞壽命預(yù)測模型，并將該模型應(yīng)用到了活塞結(jié)構(gòu)的蠕變—疲勞壽命分析中。本文建立了一套從材料基本性能分析到結(jié)構(gòu)實際工程應(yīng)用的蠕變—疲勞分析流程和方法，能夠為結(jié)構(gòu)的蠕變—疲勞耐久性分析提供借鑒。
【關(guān)鍵詞】：鋁合金 活塞 蠕變—疲勞耦合特性 壽命預(yù)測 損傷演化 有限元方法
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG146.21;TK423
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第1章 緒論13-38
• 1.1 選題的背景及意義13-14
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及進展14-35
• 1.2.1 蠕變及蠕變損傷研究15-19
• 1.2.2 疲勞及疲勞損傷研究19-23
• 1.2.3 蠕變—疲勞耦合損傷特性研究23-25
• 1.2.4 蠕變—疲勞耦合損傷的影響因素25-28
• 1.2.5 蠕變—疲勞的壽命預(yù)測方法研究28-33
• 1.2.6 活塞結(jié)構(gòu)的蠕變—疲勞壽命研究進展33-35
• 1.3 本文的主要研究內(nèi)容35-38
• 第2章 鋁合金材料蠕變—疲勞行為研究38-59
• 2.1 引言38-39
• 2.2 試驗材料及試驗方法39-42
• 2.2.1 單調(diào)拉伸力學(xué)試驗39-40
• 2.2.2 高溫蠕變試驗40-41
• 2.2.3 高溫低周疲勞試驗41
• 2.2.4 蠕變—疲勞試驗41-42
• 2.3 單調(diào)拉伸力學(xué)特性分析42-43
• 2.4 高溫蠕變特性分析43-47
• 2.4.1 高溫蠕變變形行為43-45
• 2.4.2 蠕變本構(gòu)模型建立及驗證45-47
• 2.5 疲勞特性分析47-57
• 2.5.1 循環(huán)載荷下的變形特征47-51
• 2.5.2 高溫低周疲勞壽命行為51-56
• 2.5.3 蠕變—疲勞壽命行為56-57
• 2.6 本章小結(jié)57-59
• 第3章 鋁合金材料的微觀組織特征及疲勞斷裂機理研究59-76
• 3.1 引言59-60
• 3.2 鋁合金材料的微觀組織結(jié)構(gòu)和成分分析60-63
• 3.3 鋁合金材料的疲勞斷口形貌分析63-67
• 3.4 鋁合金材料的疲勞斷裂機理及損傷分析67-75
• 3.5 本章小結(jié)75-76
• 第4章 蠕變—疲勞壽命預(yù)測模型研究76-91
• 4.1 引言76-77
• 4.2 基于損傷分析的蠕變—疲勞壽命預(yù)測模型建立77-88
• 4.2.1 損傷力學(xué)基本概念77-80
• 4.2.2 蠕變—疲勞載荷的特征描述80
• 4.2.3 蠕變—疲勞壽命預(yù)測模型的推導(dǎo)80-84
• 4.2.4 蠕變—疲勞壽命預(yù)測模型參數(shù)確定84-88
• 4.2.5 鋁合金材料的蠕變—疲勞壽命預(yù)測88
• 4.3 蠕變—疲勞壽命預(yù)測模型討論88-90
• 4.3.1 蠕變—疲勞載荷的針對性分析88-89
• 4.3.2 蠕變—疲勞損傷的非線性耦合89-90
• 4.4 本章小結(jié)90-91
• 第5章 蠕變—疲勞壽命預(yù)測模型在柴油機活塞中的應(yīng)用研究91-106
• 5.1 引言91-92
• 5.2 活塞的蠕變—疲勞分析流程92-94
• 5.3 活塞的蠕變—疲勞壽命預(yù)測分析94-105
• 5.3.1 鋁合金材料的蠕變—疲勞壽命預(yù)測模型94
• 5.3.2 鋁合金材料的熱物性和循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系94-97
• 5.3.3 活塞結(jié)構(gòu)的溫度場與應(yīng)力場分析97-103
• 5.3.4 活塞結(jié)構(gòu)的蠕變—疲勞壽命預(yù)測103-105
• 5.4 本章小結(jié)105-106
• 第6章 結(jié)論106-110
• 6.1 全文總結(jié)106-108
• 6.2 論文創(chuàng)新點108-109
• 6.3 后續(xù)工作展望109-110
• 參考文獻110-124
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果清單124-125
• 致謝125-126
• 作者簡介126

【參考文獻】

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本文編號：976966