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(jī)活塞壽命預(yù)測(cè)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(cè) 損傷演化 有限元方法

【摘要】：鋁合金材料具有比強(qiáng)度高、密度低、鑄造性能良好等優(yōu)點(diǎn)，在柴油機(jī)活塞結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用。近年來隨著柴油機(jī)功率密度和轉(zhuǎn)速的不斷提升，缸內(nèi)燃燒壓力和燃?xì)鉁囟却蠓岣�，這使得活塞所承受的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷也更加嚴(yán)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(huì)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(duì)鋁合金材料的蠕變—疲勞耦合特性問題，從試驗(yàn)測(cè)試、理論分析和數(shù)值模擬三個(gè)角度進(jìn)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(diǎn)和疲勞行為特征，獲得溫度、載荷等因素對(duì)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(cè)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(jī)理和組織演化過程和特點(diǎn)；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(jìn)行非線性耦合的蠕變—疲勞壽命預(yù)測(cè)模型；最后，基于上述模型和材料疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)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(cè)分析。 論文主要的研究?jī)?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(cè)試，結(jié)果表明鋁合金材料在高溫下的抗拉強(qiáng)度急劇下降，說明溫度對(duì)材料的力學(xué)性能造成很大的影響。此外，通過高溫蠕變?cè)囼?yàn)研究了溫度和載荷對(duì)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(shí)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(yàn)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(cè)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(qiáng)。 （2）鋁合金疲勞斷裂及損傷微觀機(jī)理分析 采用金相觀測(cè)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(xì)小，這些撕裂棱能夠有效減少應(yīng)力集中和裂紋擴(kuò)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(jī)理。 （3）蠕變—疲勞壽命預(yù)測(cè)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(jìn)行非線性累積，建立了材料的蠕變—疲勞壽命預(yù)測(cè)模型，并采用蠕變—疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)校核了模型參數(shù)。隨后采用該模型預(yù)測(cè)了鋁合金材料的壽命，預(yù)測(cè)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(cè)能力。 （4）活塞在變工況條件下的蠕變—疲勞壽命預(yù)測(cè)分析 針對(duì)高功率密度柴油機(jī)活塞在變工況下的循環(huán)載荷特點(diǎn)，提出了活塞結(jié)構(gòu)的蠕變—疲勞壽命預(yù)測(cè)分析流程，并預(yù)測(cè)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(shí)借助于材料微觀組織觀測(cè)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(cè)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(shí)際工程應(yīng)用的蠕變—疲勞分析流程和方法，能夠?yàn)榻Y(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(cè) 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(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及進(jìn)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(cè)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(jìn)展33-35
• 1.3 本文的主要研究?jī)?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(yàn)材料及試驗(yàn)方法39-42
• 2.2.1 單調(diào)拉伸力學(xué)試驗(yàn)39-40
• 2.2.2 高溫蠕變?cè)囼?yàn)40-41
• 2.2.3 高溫低周疲勞試驗(yàn)41
• 2.2.4 蠕變—疲勞試驗(yàn)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(yàn)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(jī)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(jī)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(cè)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(cè)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(cè)模型的推導(dǎo)80-84
• 4.2.4 蠕變—疲勞壽命預(yù)測(cè)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(cè)88
• 4.3 蠕變—疲勞壽命預(yù)測(cè)模型討論88-90
• 4.3.1 蠕變—疲勞載荷的針對(duì)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(cè)模型在柴油機(jī)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(cè)分析94-105
• 5.3.1 鋁合金材料的蠕變—疲勞壽命預(yù)測(cè)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(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)分析97-103
• 5.3.4 活塞結(jié)構(gòu)的蠕變—疲勞壽命預(yù)測(cè)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(diǎn)108-109
• 6.3 后續(xù)工作展望109-110
• 參考文獻(xiàn)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(jiǎn)介126

【參考文獻(xiàn)】

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