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1、电气设备结构部件寿命预测方法的研究院 系自动化学院专 业测控技术与仪器班 级学 号姓 名指导教师负责教师沈阳航空航天大学2010年6月沈阳航空航天大学毕业设计（论文）摘 要电气设备运行的基本和必要的条件之一是要保证安全和可靠。电气设备结构部件被腐蚀破坏的主要形式是均匀腐蚀、孔蚀和以裂纹式出现的应力腐蚀与疲劳腐蚀。针对不同的腐蚀形式，人们采用不同的寿命预测方法。本文在研究分析了大量国内外现有的电气设备结构部件寿命的预测方法之后，详细介绍了断裂力学方程、灰色理论、人工神经网络、应变寿命法、应力寿命法等电气设备结构部件寿命的预测方法，并且着重研究了疲劳损伤理论，以及疲劳损伤动态统计模型。采用有限元仿
2、真的方法，根据应变寿命法的理论，利用ANSYS仿真软件对一个受到内压的电气设备结构部件（弯管）进行了仿真分析，得到了该弯管的应力分布情况，应力集中区域，应力分析和强度计算，推算出该弯管易于产生疲劳损坏的区域；以及在受到多次多个载荷循环时，弯管发生形变的情况，最终根据仿真分析的结果计算出该弯管的寿命。关键词：电气设备；寿命预测；S-N曲线；应变寿命法Electrical Equipment Structure Parts Life Prediction Method ResearchAbstractIt is a basic necessary operation of electrical e
3、quipment and one of the conditions to ensure safe and reliable. The main form of corrosion damage of of electrical equipments structural parts is uniform corrosion, pitting corrosion and to stress corrosion crack-type occurs with fatigue corrosion. To different forms of corrosion, people adopt diffe
4、rent prediction method. After studied the existing electrical equipment life prediction method in domestic, this paper describes in detail many structural components life prediction methods such as, fracture mechanics equations, grey theory, artificial neural network, strain-life law theory, stress-
5、life law theory and so on. According to strain-life law theory, this paper adopts finite element simulation method, uses ANSYS simulation software to simulate the a electrical equipment structural component (elbow) with internal pressure, to analyze the stress distribution about the elbow, stress co
6、ncentration, stress analysis and strength calculation. And then we can easily calculate the fatigue damage situation in the elbow area, the bend deformation when the elbow suffered several times load cycle, and the life of the pipe according to the calculated results of simulation.Keywords: electric
7、al equipment; life prediction; S-N curve; strain life method目 录1 绪 论11.1 课题的提出及研究意义11.1.1课题的提出11.1.2课题的研究意义21.2 课题研究背景及现状31.3 论文的主要工作41.4 论文的主要章节安排52 寿命预测方法62.1 断裂力学方程62.2 灰色理论预测72.3 人工神经网络92.4 应变寿命预测法102.5 应力寿命预测法112.6 本章小结133 电气设备结构部件寿命预测143.1 疲劳损伤理论分析143.1.1 损伤的定义143.1.2 疲劳损伤理论143.2 疲劳损伤动态统计模型163
8、.2.1 线性疲劳损伤理论163.2.2 修正线性疲劳损伤理论183.3 本章小结194 有限元仿真估算结构部件寿命204.1寿命估算理论204.2建模思路214.3计算结果分析254.4本章小结32结 论33社会经济效益分析34参考文献35致 谢37附录程序清单38III沈阳航空航天大学毕业设计（论文）1 绪 论电气设备结构部件在运行过程中由于受环境介质等因素的影响，遭受腐蚀损伤，致使设备存在一个使用寿命周期的问题。因此通过对电气设备结构部件寿命的预测，进行材料选择、材料设计，并发展腐蚀控制技术和研究腐蚀原因及规律，以减少因设备腐蚀损伤造成的损失，已成为一个重要的研究课题。1.1 课题的提出
9、及研究意义随着科学技术的不断发展，电气设备结构部件的可靠性越来越受到人们的关注，它决定了电气设备或系统工作持续时间的长短，因此可靠性已经成为了电气设备结构部件的一项重要性能指标。1.1.1 课题的提出电气设备运行的基本和必要的条件之一是要保证安全和可靠。但由于受环境介质的腐蚀以及外加载荷引起的疲劳损伤、应力腐蚀、液体的冲刷和固体粒子的磨损等因素的影响，致使设备存在一个使用寿命周期的问题1。为了保证设备的正常运转，就必须及时地进行维修，必要时则应有计划地予以更新，而开展设备腐蚀寿命预测工作是进行设备维修、更新决策的依据。“腐蚀”这一术语起源于拉丁文“Correre”，意为损坏、腐烂。以前材料的腐
10、蚀定义只限于金属，随着科学技术的不断进步，非金属材料（特别是合成材料和复合材料）在许多高科技领域日益得到广泛的应用，由于这些材料的工作和使用环境更加苛刻，同样出现了许多腐蚀现象和问题，因而“腐蚀”的概念逐步涉及整个材料领域2。通过引进概率统计的原理，利用计算机数据处理技术，探索建立电气设备结构部件材料腐蚀寿命预测系统，进行腐蚀数据的统计分析处理及装置材料的腐蚀寿命预测，在应用过程中逐步发展和完善，最终建立起功能完备、使用方便、可靠性高的电气设备寿命预测系统。疲劳腐蚀是工程结构和机械失效的主要原因之一，开展结构疲劳的研究有着重要意义3。疲劳是一门综合性学科，涉及的知识面很广，它不仅跟固体力学中的
11、弹性力学、塑力学、断裂力学、应力分析关系很密切，还跟数学、物理、化学、冶金、机械、金属理等学科有千丝万缕的联系。强度、刚度和疲劳寿命是对工程结构和机械使用的三基本要求4。电气设备结构部件的疲劳腐蚀遍及国民经济的各个部门，因电气设备结构部件腐蚀造成损伤的后果给国民经济带来巨大的损失。根据工业发达国家的调查，化工设备的损坏中有将近一半是由于腐蚀造成的。美国杜邦公司20年的统计为约55%，日本科技厅组织全国专家对600个企业进行调查，结果也是超过一半，每年因腐蚀造成的经济损失至少达二百亿元。因此，对电气设备结构部件寿命的预测以减少因设备的结构部件腐蚀损伤造成的损失，已成为人们研究的一个重要课题5。由
12、于电气设备结构部件材料腐蚀寿命预测对实际生产有很大的指导作用，所以不仅引起学术界的重视，并在实际设备管理与维修工作中加以应用。1.1.2 课题的研究意义近年来，由于生态科学的发展，人们逐步意识到搞好电气设备结构部件寿命预测，减少腐蚀造成的损失，已不是单纯的技术问题，而是关系到保护资源、节约能源、节省材料、保护环境、保证正常生产和人身安全、发展新技术等一系列重大的经济和社会问题。目前国内对于设备管理科学化的呼声日益高涨，因此对设备腐蚀寿命的科学估算也将提到日程上来，现在这方面尚处于开始阶段，但相信也会日趋活跃。虽然腐蚀科学与防腐蚀工程学一直是相伴发展的，但据统计结果表明，现在由腐蚀引起的电气设备
13、结构部件的损伤率与20年前相比并没有多大变化。对于腐蚀现象，人们历来大多是从主要因果关系出发而采取确定论的方法来进行评价及确定防护措施的。但是，定量地描绘腐蚀现象十分困难，且迄今为止，几乎所有的实验室加速实验评价都局限于Go/No Go筛选试验的相对比较上5。因此，包含时间要素的电气设备结构部件的寿命评价就无法进行，许多腐蚀数据在电气设备的设计及保养中未得以充分利用，也没有按其用途进行整理归类。这样，历来都是仅凭有关技术人员的经验与直觉来推测电气设备结构部件的寿命，提出设备的防腐蚀措施及决定其更换期。Evans最初指出，由于腐蚀现象本质上具有概率的特性。因此，在腐蚀与防护研究中，概率论的分析与
14、速度论的分析同样重要。尤其是孔蚀、缝隙腐蚀及应力腐蚀破裂等局部腐蚀的情况。对电气设备结构部件的腐蚀寿命预测，仅站在以往的那种确定论的立场上是不够的，有必要从概率论的角度考虑这一问题。首先，目前利用有限元对电气设备结构部件的研究大都集中在强度方面，而利用有限元对其疲劳寿命的研究几乎没有，所以本文作为一种尝试利用有限元疲劳分析软件来预测电气设备结构部件的疲劳寿命；其次，通过分析可以得到电气设备结构部件所有感兴趣的部位的应力值、应力分布情况，以及危险部位的疲劳寿命，电气设备的维护与维修提供科学依据；第三，还可以在电气设备设计之前发现问题，从而缩短电气设备的生产周期，节约制造费用。1.2 课题研究背景
15、及现状电气设备结构部件被腐蚀破坏的主要形式是均匀腐蚀、孔蚀和以裂纹式出现的应力腐蚀与疲劳腐蚀。针对不同的腐蚀形式，人们采用不同的腐蚀寿命预测方法，在各自的领域内对电气设备结构部件材料腐蚀寿命预测问题进行了不少成功的试验。本世纪50年代，研究铝合金孔蚀的Aziz和地下管道孔蚀的Eldredge开辟了在分析局部腐蚀现象过程中引入极值统计理论的道路。即应用极值统计理论，分析小块测定面积内最大局部腐蚀深度的测定结果，预测整个部件中的最大局部腐蚀深度，再结合适当的局部腐蚀速度公式，就可以预测电气设备结构部件的寿命6。此后该方法已经被用于许多实际电气设备结构部件腐蚀数据处理上，如石油、泥浆输送管线、各种机械装置、重油贮罐、化工厂中的换热器、槽体板等，车辆用换热器，港湾钢构造物，炼铁厂的锅炉管等7。柘植考察了在海水的干湿交替环境中使用的锻钢槽的环氧树脂涂装面的局部腐蚀。测定了数十台使用4，6及12年槽的最大局部腐蚀深度，利用Gumbel极值分布进行统计处理，计算出4，6，12年的最大腐蚀深度，根据最大腐蚀深度的估计值与使用年数拟合出局部腐蚀进展速度公式，由锻钢槽设计的允许最小厚度估计出锻钢槽的使用寿命，结果与实际
