基于双尺度损伤理论的高温装备寿命设计方法

doi:10.7527/S1000-6893.2025.31706

固体力学与飞行器总体设计

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基于双尺度损伤理论的高温装备寿命设计方法

李凯尚, 范浩奇, 王润梓, 张显程(), 涂善东

华东理工大学机械与动力工程学院，上海 200237

收稿日期:2024-12-24 修回日期:2025-01-17 接受日期:2025-02-19 出版日期:2025-03-11 发布日期:2025-02-25
通讯作者: 张显程 E-mail:xczhang@ecust.edu.cn
基金资助:
国家重点研发计划(2022YFB4600019);国家自然科学基金(U21B2077);中国博士后创新人才支持计划(BX20230120)

Life design method of high-temperature equipment based on dual-scale damage theory

Kaishang LI, Haoqi FAN, Runzi WANG, Xiancheng ZHANG(), Shantung TU

School of Mechanical and Power Engineering，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237

Received:2024-12-24 Revised:2025-01-17 Accepted:2025-02-19 Online:2025-03-11 Published:2025-02-25
Contact: Xiancheng ZHANG E-mail:xczhang@ecust.edu.cn
Supported by:
National Key Research and Development Project(2022YFB4600019);National Natural Science Foundation of China(U21B2077);China National Postdoctoral Program for Innovative Talents(BX20230120)

摘要/Abstract

摘要：

高温结构的长寿命安全运行与严苛服役环境之间的矛盾日益突出，蠕变-疲劳交互损伤日渐凸显导致航空发动机高温部件故障率居高不下。此外，在碳中和背景下对发电机组深度调峰的迫切需求，使得火电、燃机等高温关重件同样面临着缺乏精准的寿命评估方法的问题。基于单一尺度或单一参量的寿命设计方法无法同时考虑高温结构宏观多轴应力效应和微观组织演化历程，尤其对于微观组织不均匀的高温结构。因此，系统介绍了基于宏观连续介质—微观晶体塑性的双尺度建模方法，以含孔结构为例介绍了基于双尺度损伤理论的寿命预测方法，为了服务于双尺度理论体系的工程化应用，开发了一套考虑材料表面强化效应的蠕变-疲劳寿命预测软件，以实现表面强化高温结构的快速损伤评定及寿命预测。

关键词: 高温结构, 双尺度损伤理论, 寿命预测, 表面强化, 代理模型

Abstract:

The contradiction between the long-term safe operation of high-temperature structures and harsh service environment is becoming increasingly prominent. Creep-fatigue interaction damage has become increasingly prominent， leading to high failure rates of high-temperature components. In addition， the urgent demand for deep peak shaving in power generation units under carbon neutrality targets means that the critical high-temperature components face a lack of accurate life assessment methods. Traditional life design approaches based on single-scale or single-parameter are insufficient to simultaneously account for multi-axial stress effects and microstructural evolution in high-temperature structures， especially for the structures with inhomogeneous microstructures. In this paper， dual-scale modeling approach based on macro-continuum mechanics and micro-crystal plasticity is systematically introduced. Taking hole structure as an example， a life prediction method based on the dual-scale damage theory is presented. To facilitate the engineering application of the dual-scale theoretical framework， a creep-fatigue life prediction software considering surface strengthening effects is developed， enabling rapid damage assessment and life prediction for surface strengthening structures.

Key words: high-temperature structure, dual-scale damage theory, life prediction, surface strengthening, surrogate model

中图分类号:

V231.95

李凯尚, 范浩奇, 王润梓, 张显程, 涂善东. 基于双尺度损伤理论的高温装备寿命设计方法[J]. 航空学报, 2025, 46(5): 531706.

Kaishang LI, Haoqi FAN, Runzi WANG, Xiancheng ZHANG, Shantung TU. Life design method of high-temperature equipment based on dual-scale damage theory[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(5): 531706.

图/表 24

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

建模方法	描述	计算时间/h	使用频率	优缺点
子模型方法	将宏观模型的位移场作为晶体塑性模型的边界条件	6.8	高频	复杂建模过程但计算效率高
耦合建模方法	宏观尺度模型和晶体塑性模型耦合到相同有限元模型中	9.8	高频	2个模型难以耦合且计算效率低
全场晶体塑性方法	危险区域具有不同随机取向而远场区域具有一个取向的晶体塑性模型	8.5	低频	远场区域的晶粒取向很难确定

输入参数	水平1	水平2	水平3	水平4	水平5
S_max/MPa	500	700	900	1 200	1 500
D_s，s/μm	0	30	70	120	180
D_s，max/μm	50	300	500	800	1 200
d_min/nm	100	300	600	1 000	1 500
n_p	0.2	0.5	1	2	5
D_p，max/μm	5	30	60	100	150

[1]	华志广, 潘诗媛, 赵冬冬, 李祥隆, 窦满峰. 基于分解优化并行ESN的氢燃料电池寿命预测[J]. 航空学报, 2025, 46(2): 330696-330696.
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[15]	赵欢, 高正红, 夏露. 基于新型多可信度代理模型的多目标优化方法[J]. 航空学报, 2023, 44(6): 126962-126962.

基于双尺度损伤理论的高温装备寿命设计方法

Life design method of high-temperature equipment based on dual-scale damage theory

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