热疲劳
热疲劳的理论基础
什么是热疲劳
老师，什么是热疲劳？
由温度周期变化引起的疲劳。温度变化→热应力→周期性→疲劳破坏。在发动机气缸盖、排气歧管、涡轮叶片、核电配管中存在问题。
热疲劳的特点
小结
喷气发动机叶片冷却孔裂纹
热疲劳是由温度变化引起的周期性热应变导致的疲劳。在罗罗公司的Trent发动机涡轮叶片中，运行时达到900℃，停止时降至室温，冷却孔周围的热应变范围达到0.5%。根据Coffin-Manson准则，这种应变范围的材料寿命预计为5000～10000周期，这成为大修（C检）的依据。
热疲劳的数值计算方法
热疲劳的FEM
1. 热分析 — 计算温度分布的时间历程
2. 热-结构耦合 — 温度分布→热应力→弹塑性分析（推荐Chaboche模型）
3. 稳定滞后回线的获取 — 应力-应变的稳定循环
4. 疲劳评价 — Coffin-Manson + 蠕变损伤（用Miner准则汇总）
小结
等温与非等温疲劳曲线的使用区分
热疲劳设计中直接使用等温疲劳数据存在风险。镍基超合金IN718在400～800℃的TMF试验中，寿命比600℃等温试验短40%。分析中需要对等温S-N/E-N曲线乘以"TMF因子"0.5～0.7进行修正，或获取专用的TMF疲劳曲线。从成本效益考虑，修正因子法常用于前期研发阶段。
热疲劳的实际应用
热疲劳的实际应用
发动机部件（气缸盖、排气系统）、涡轮、核电配管。
实务检查表
排气歧管的热疲劳设计
汽油发动机的排气歧管从启动到停止反复经历200～900℃，这是典型的热疲劳环境。SiMo球墨铸铁制歧管的FEM热疲劳分析需要温度变动场→热应变→弹塑性应力→应变-寿命评价的完整流程。丰田公司从1990年代后期开始将这个流程标准化为设计工具。
热疲劳的软件对比
工具
Abaqus热疲劳耦合分析的实务流程
Abaqus中建立了热传导分析（步骤1）→热应力分析（步骤2）→疲劳评价（与fe-safe联动）的三步流程。通过DASSAULT与HBM的联动，可从Abaqus CAE直接启动fe-safe，进行包含温度历程的TMF疲劳评价。雷诺公司通过该流程将涡轮增压器壳体的热疲劳寿命预测精度改善到±20%以内。
热疲劳的前沿研究
热疲劳的前沿
晶界氧化引起的热疲劳加速现象
高温（700℃以上）热疲劳中晶界优先氧化，促进裂纹扩展，导致"氧化促进热疲劳"。这种现象在Ni基超合金中比Co基超合金更明显，在大气中与真空中相比，寿命会下降到1/3～1/5。从CFM56发动机的实际飞行数据分析也可以看出，高空飞行（低氧环境）的热疲劳损伤小于地面试验。
热疲劳的故障排除
热疲劳的故障排除
FEM热疲劳分析中边界条件的陷阱
热疲劳分析中实验与分析不一致的情况下，热传导系数h设置错误很常见。排气系部件通常混合有自然对流（h=5～25 W/m²K）和强制对流（h=50～500 W/m²K），直接使用CAD默认设置会导致温度差达50℃以上。应该先对比实测温度与分析温度，校准热传导边界条件后再进行疲劳评价。
相关主题
价值
更详细
错误