一种考虑应力松弛效应的高温部件的蠕变疲劳寿命的评估方法及装置与流程

本发明涉及航空发动机的高温部件寿命评估技术，尤其涉及一种计算量少、精度高的考虑应力松弛的高温部件蠕变疲劳寿命评估方法及评估装置。

背景技术：

航空发动机热端部件在服役过程中，不仅承受着起落循环造成的疲劳损伤，也承受着持续应力、温度造成的蠕变损伤，其总损伤是疲劳、蠕变及两者之间的交互作用共同造成的。随着高性能航空发动机涡轮前进口温度的不断提高，热端部件服役温度不断提高，使得蠕变及蠕变疲劳交互作用造成的损伤占比也原来越大。另一方面，由于蠕变造成的应力松弛的存在，热端部件内的应力/应变分布发生变化，若以不考虑蠕变和应力松弛的应力/应变谱进行寿命预测，其结果是不准确的。尤其在一些关键考核部位，由于一般都是应力集中部位，起始应力很大，这些部位在服役过程中，应力松弛明显，应重点予以关注。因此，为了提高航空发动机在服役过程中的可靠性，掌握热端部件服役过程中应力、应变分布的实际情况，考虑应力松弛效应及蠕变疲劳交互作用是十分必要的。

目前，处理高温部件应力松弛主要有两类方法：第一类方法是完全依靠有限元计算，在部件上施加循环载荷进行非线性有限元计算(见文献：航空动力学报,2003,18(3):378)，获得全寿命周期内每个循环内的应力、应变历程进行蠕变疲劳寿命计算。这种计算方法可以比较准确地计算全寿命周期内的蠕变疲劳损伤，但是只适用于寿命要求较短(最多数百个循环)的情况，对于民用航空发动机长达上万循环的寿命要求，其计算量在实际工程设计中往往是很难接受的。虽然研究人员针对上述方法计算量过大的问题，提出了一些改进方法(见文献：科学技术与工程,2008,8(6):1496；机械科学与技术,2007,26(11):1458.)， 大大减少了计算量，但对民机发动机工程设计来讲，仍然是难以实现的。另一方面，为了尽量降低计算量，采用上述方法时，不得不将载荷谱简化为最简单的梯形载荷谱，这种简化忽略了载荷谱中高温起飞、巡航等状态点之间的不同特征，使得损伤计算不准确。

第二类方法是在单轴等应变松弛假设下建立起来的近似计算方法，这种计算方法只需要利用有限元计算第一个循环内的起始应力，再利用单轴等应变应力松弛公式加上多轴系数修正计算全寿命周期内的应力历程。这种方法相比第一种方法大大简化了计算工作量，但是完全采用经验公式的算法使得拟合误差较大，更重要的是这种方法无法保证模拟得到的应力历程是保守的(见文献：Journal of Mechanical Strength,2001,23(1):004.)，在实际发动机寿命预测中是不建议使用的。另外，在利用等应变松弛模型进行近似计算时，往往需要通过多轴修正因子考虑实际部件多轴载荷的情况，由于在服役过程中，部件上的应力不断变化，多轴应力状态也不断变化，使得多轴修正因子的计算本身非常复杂(见专利：CN 103761365B和CN 103712865A)。另外，基于单轴等应变松弛模型建立的应力松弛公式比较适用于恒定载荷下的应力松弛过程，对于航空发动机这种多状态点的变载情况，无法直接应用。

因此，本领域需要一种既能保证计算精度、又能将计算量简化到工程设计中可以使用的方案来用于航空发动机热端部件考虑应力松弛效应的蠕变疲劳寿命计算。

技术实现要素：

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

根据本发明的一方面，提供了一种考虑应力松弛效应的高温部件的蠕变疲劳寿命的评估方法，包括：

(a)建立有限元模型，基于蠕变本构模型和弹性本构模型执行对该高温部件 的热弹性蠕变有限元循环计算直至考核点各状态点的总应变稳定，其中，计算至总应变稳定时的载荷循环是第n个循环；

(b)基于单轴等应变松弛模型结合多轴修正系数M来计算考核点的应力直至第n个循环，其中M被不断调整以使得最终通过单轴等应变松弛模型结合多轴修正系数M计算出的n个循环内的应力历程与通过热弹性蠕变有限元计算出的n个循环内的应力历程相一致，从而获得最优多轴修正系数M；

(c)采用该最优多轴修正系数M基于单轴等应变松弛模型来计算考核点在n个循环后的应力松弛历程直至考核点各状态点的应力松弛稳定，其中计算至应力松弛稳定时的载荷循环是第k个循环；

(d)基于前k个载荷循环内的应力计算前k个载荷循环内的蠕变损伤和第k个载荷循环的蠕变损伤；

(e)基于前n个载荷循环内的应力和应变计算前n个载荷循环内的疲劳损伤和第n个载荷循环内的疲劳损伤；以及

(f)在以第k个循环内的蠕变损伤为k个载荷循环后的每个载荷循环的疲劳损伤以及以第n个循环内的疲劳损伤为n个循环后的每个载荷循环的疲劳损伤的基础上，计算全寿命周期内的蠕变疲劳总损伤及对应的蠕变疲劳寿命。

在一实例中，该步骤(a)包括：(a1)先执行热弹性蠕变有限元载荷循环计算达预定数目个循环；(a2)执行下一个循环的计算，并在循环结束后确定考核点各状态点的总应变相比于前一循环是否小于预设的应变容许误差；(a3)若小于该应变容许误差，则表示总应变稳定，得到总应变稳定时的循环数n，热弹性蠕变有限元计算结束，否则返回步骤(a2)继续下一循环的计算。

在一实例中，该步骤(b)包括：(b1)设定多轴修正系数M；(b2)基于单轴等应变松弛模型结合所设定的M来计算考核点的应力直至第n个循环；(b3)判断步骤(b2)中得到的n个循环内考核点在所选状态点的应力与步骤(a)中得到的n个循环内考核点在所选状态点的应力之间的误差是否小于预设的应力容许误差；以及(b4)若小于该应力容许误差，则表示当前设定的M为该最优多轴修正系数，否则返回步骤(b1)以调整多轴修正系数M。

在一实例中，该步骤(b)还包括：(b0)在步骤(a)中建立的有限元模型中， 去掉蠕变本构模型，执行热弹性有限元分析以获得考核点在第一个载荷循环的应力；其中，步骤(b2)的计算以考核点在第一个载荷循环的应力作为起始应力来执行。

在一实例中，该步骤(c)包括在n个循环后：(c1)采用该最优多轴修正系数M基于单轴等应变松弛模型来计算考核点下一个载荷循环的应力；(c2)确定考核点各状态点的应力是否小于应力下限；以及(c3)若小于应力下限，则表示应力松弛稳定，得到应力松弛稳定时的循环数k，否则返回步骤(c1)进行下一循环的计算。

在一实例中，该步骤(d)具体包括：基于由步骤(a)计算出的前n个循环的应力以及由步骤(c)计算出的第n+1至第k个循环的应力来计算前k个载荷循环内的蠕变损伤和第k个载荷循环的蠕变损伤。

在一实例中，该步骤(e)包括对于前n个载荷循环中的每个载荷循环执行以下步骤，其中令各载荷循环包括N个状态点：(e1)将这N个状态点两两配对来计算寿命，总共可以得到N*(N-1)/2个寿命值，将这些寿命值中的最小值作为临时主循环对应的寿命；(e2)选择步骤(e1)确定的临时主循环中的一个状态点作为基准状态点；(e3)基于该基准状态点计算每个状态点的寿命并以寿命的倒数作为该状态点的相对损伤；(e4)以各时间点的相对损伤进行雨流计数得到该载荷循环中的主循环及次循环；以及(e5)计算步骤(e4)中获得的主循环和次循环的寿命及相应损伤，主循环和次循环的损伤之和为该载荷循环中的疲劳损伤。

在一实例中，该步骤(e3)包括：(e31)计算每个状态点相对于该基准状态点的应变分量差值；(e32)计算每个状态点相应的应变分量差值的等效应变；以及(e33)以每个状态点的等效应变作为应变范围计算各状态点的寿命，并以寿命的倒数作为该状态点的相对损伤。

在一实例中，该步骤(e5)包括：(e51)对主循环中的两个状态点计算应变分量差值及相应的等效应变，以此等效应变作为应变范围计算主循环的寿命，并以主循环的寿命的倒数为主循环的损伤；(e52)对次循环中的两个状态点计算应变分量差值及相应的等效应变，以此等效应变作为应变范围计算次循环的 寿命，并以次循环的寿命的倒数为次循环的损伤；以及(e53)将主循环的损伤与次循环的损伤相加作为该载荷循环中的疲劳损伤。

在一实例中，该方法还包括：在该步骤(a)之前判断该高温部件的最高服役温度是否大于0.3倍的材料熔点，若超过则执行该步骤(a)，否则终止计算。

根据本发明的另一方面，提供了一种考虑应力松弛效应的高温部件的蠕变疲劳寿命的评估装置，包括：

热弹性蠕变有限元计算单元，用于基于蠕变本构模型和弹性本构模型建立有限元模型，执行对该高温部件的热弹性蠕变有限元载荷循环计算直至考核点各状态点的总应变稳定，其中，计算至总应变稳定时的载荷循环被加载至第n个循环；

等应变松弛模型计算单元，用于基于单轴等应变松弛模型结合多轴修正系数M来计算考核点的应力直至第n个循环，其中M被不断调整以使得最终通过单轴等应变松弛模型结合多轴修正系数M计算出的n个循环内的应力历程与通过热弹性蠕变有限元计算出的n个循环内的应力历程相一致，从而获得最优多轴修正系数M，该等应变松弛模型计算单元还采用该最优多轴修正系数M基于单轴等应变松弛模型来计算考核点在n个循环后的应力松弛历程直至考核点各状态点的应力松弛稳定，其中计算至应力松弛稳定时的载荷循环被加载至第k个循环；

蠕变损伤计算单元，用于基于前k个载荷循环内的应力计算前k个载荷循环内的蠕变损伤和第k个载荷循环的蠕变损伤；

疲劳损伤计算单元，用于基于前n个载荷循环内的应力和应变计算前n个载荷循环内的疲劳损伤和第n个载荷循环内的疲劳损伤；以及

蠕变疲劳寿命计算单元，用于在以第k个循环内的蠕变损伤为k个载荷循环后的每个载荷循环的疲劳损伤以及以第n个循环内的疲劳损伤为n个循环后的每个载荷循环的疲劳损伤的基础上，计算全寿命周期内的蠕变疲劳总损伤及对应的蠕变疲劳寿命。

在一实例中，该热弹性蠕变有限元计算单元进一步用于：先执行热弹性蠕变有限元载荷循环计算达预定数目个循环；然后执行下一个循环的计算，并在 循环结束后确定考核点各状态点的总应变相比于前一循环是否小于预设的应变容许误差；若小于该应变容许误差，则表示总应变稳定，得到总应变稳定时的循环数n，热弹性蠕变有限元计算结束，否则继续下一循环的计算直至判断相比于前一循环小于预设的应变容许误差。

在一实例中，该装置还包括：多轴修正系数设定单元，用于设定多轴修正系数M，该等应变松弛模型计算单元进一步用于：基于单轴等应变松弛模型结合所设定的M来计算考核点的应力直至第n个循环；判断得到的n个循环内考核点在所选状态点的应力与该热弹性蠕变有限元计算单元得到的n个循环内考核点在所选状态点的应力之间的误差是否小于预设的应力容许误差；若小于该应力容许误差，则表示当前设定的M为该最优多轴修正系数，否则由该多轴修正系数设定单元调整多轴修正系数M，基于调整后的M再次计算，直至计算出的n个循环内考核点在所选状态点的应力与该热弹性蠕变有限元计算单元得到的n个循环内考核点在所选状态点的应力之间的误差小于预设的应力容许误差。

在一实例中，该装置还包括：热弹性有限元计算单元，用于执行热弹性有限元分析以获得考核点在第一个载荷循环的应力，其中该等应变松弛模型计算单元以考核点在第一个载荷循环的应力作为起始应力来执行计算。

在一实例中，该等应变松弛模型计算单元进一步用于：在n个循环后，采用该最优多轴修正系数M基于单轴等应变松弛模型来计算考核点下一个载荷循环的应力；确定考核点各状态点的应力是否小于应力下限；若小于应力下限，则表示应力松弛稳定，得到应力松弛稳定时的循环数k，否则进行下一循环的计算直至考核点各状态点的应力小于应力下限为止。

在一实例中，该蠕变损伤计算单元进一步用于基于由该热弹性蠕变有限元计算单元计算出的前n个循环的应力以及由该等应变松弛模型计算单元计算出的第n+1至第k个循环的应力来计算前k个载荷循环内的蠕变损伤和第k个载荷循环的蠕变损伤。

在一实例中，该疲劳损伤计算单元包括基准状态点确定单元、状态点寿命计算单元、主次循环确定单元、以及主次循环损伤计算单元，令各载荷循环包 括N个状态点，对于前n个载荷循环中的每个载荷循环，该基准状态点确定单元，用于将这N个状态点两两配对来计算寿命，总共可以得到N*(N-1)/2个寿命值，将这些寿命值中的最小值作为临时主循环对应的寿命，选择临时主循环中的一个状态点作为基准状态点；该状态点寿命计算单元，用于以该基准状态点为参考基准计算每个状态点的寿命并以寿命的倒数作为该状态点的相对损伤；该主次循环确定单元，用于以各时间点的相对损伤进行雨流计数得到该载荷循环中的主循环及次循环；以及该主次循环损伤计算单元，用于计算所获得的主循环和次循环的寿命及相应损伤，主循环和次循环的损伤之和为该载荷循环中的疲劳损伤。

在一实例中，该状态点寿命计算单元包括：应变分量差值计算单元，用于计算每个状态点相对于该基准状态点的应变分量差值；等效应变计算单元，用于计算每个状态点相应的应变分量差值的等效应变；以及寿命计算单元，用于以每个状态点的等效应变作为应变范围计算各状态点的寿命，并以寿命的倒数作为该状态点的相对损伤。

在一实例中，该主次循环损伤计算单元包括：主循环损伤计算单元，对主循环中的两个状态点计算应变分量差值及相应的等效应变，以此等效应变作为应变范围计算主循环的寿命，并以主循环的寿命的倒数为主循环的损伤；次循环损伤计算单元，对次循环中的两个状态点计算应变分量差值及相应的等效应变，以此等效应变作为应变范围计算次循环的寿命，并以次循环的寿命的倒数为次循环的损伤；以及损伤求和单元，用于将主循环的损伤与次循环的损伤相加作为该载荷循环中的疲劳损伤。

在一实例中，该热弹性蠕变有限元计算单元仅在该高温部件的最高服役温度大于0.3倍的材料熔点的情况下执行计算。

在本发明中，采用了有限元计算和等应变松弛模型相结合的计算策略。首先，利用热弹性蠕变有限元计算一定数目的载荷循环，直至考核点的各状态点的总应变基本保持不变。此时，再用单轴等应变松弛模型结合多轴修正系数M，来计算同样数目的载荷循环，通过不断地调整多轴修正系数M，使得采用单轴等应变松弛模型结合多轴修正系数M计算出的应力历程与有限元计算出应力 历程一致。由此，完成对多轴修正系数M的校准，得到最优多轴修正系数M。这意味着采用单轴等应变松弛模型结合该最优多轴修正系数M计算出的结果是精确的。

后续的载荷循环，可采用基于该最优多轴修正系数的等应变松弛模型来计算应力历程。由于后续载荷循环中总应变保持稳定，很好地符合了等应变松弛模型的使用条件，而且多轴修正系数M最优，所以保证了等应变松弛模型计算出的应力历程是精确的。因此，相比于有限元计算大大节省了计算量，同时又保证了计算精度。而且，采用等应变松弛模型的计算只需计算至应力下限即可从而可以使用该稳定的应力来计算后续载荷循环中的蠕变损伤。另外，先前计算中应变已经稳定，从而可使用该稳定的应变来计算后续载荷循环中的疲劳损伤。由此，进一步降低了计算量。

附图说明

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1是示出了根据本发明的一方面的考虑应力松弛效应的高温部件的蠕变疲劳寿命的评估方法的流程图；

图2是示出了根据本发明的具体实施例的评估方法的流程图；

图3是示出了根据本发明的具体实施例的采用有限元计算的考核点的应变历程；

图4是示出了根据本发明的具体实施例的采用有限元计算的考核点的应力历程；

图5是示出了根据本发明的具体实施例的筛选出的考核点需要计算应力松弛的状态点；

图6是示出了有限元计算结果与等应变应力松弛模拟结果的比较；以及

图7是示出了根据本发明的一方面的考虑应力松弛效应的高温部件的蠕变疲劳寿命的评估装置的框图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。

在本发明中，采用了有限元计算和等应变松弛模型相结合的计算策略。首先，利用热弹性蠕变有限元计算一定数目的载荷循环，直至考核点的各状态点的总应变基本保持不变。此时，再用单轴等应变松弛模型结合多轴修正系数M，来计算同样数目的载荷循环，通过不断地调整多轴修正系数M，使得采用单轴等应变松弛模型结合多轴修正系数M计算出的应力历程与有限元计算出应力历程一致。由此，完成对多轴修正系数M的校准，得到最优多轴修正系数M。这意味着采用单轴等应变松弛模型结合该最优多轴修正系数M计算出的结果是精确的。

后续的载荷循环，可采用基于该最优多轴修正系数的等应变松弛模型来计算应力历程。由于后续载荷循环中总应变保持稳定，很好地符合了等应变松弛模型的使用条件，而且多轴修正系数M最优，所以保证了等应变松弛模型计算出的应力历程是精确的。因此，相比于有限元计算大大节省了计算量，同时又保证了计算精度。而且，采用等应变松弛模型的计算只需计算至应力下限即可从而可以使用该稳定的应力来计算后续载荷循环中的蠕变损伤。另外，先前计算中应变已经稳定，从而可使用该稳定的应变来计算后续载荷循环中的疲劳损伤。由此，进一步降低了计算量。

图1是示出了根据本发明的一方面的考虑应力松弛效应的高温部件的蠕变疲劳寿命的评估方法100的流程图。如图1所示，评估方法100可包括如下步骤：

步骤101：热弹性蠕变有限元计算；

在此步骤，基于蠕变本构模型和弹性本构模型建立有限元模型，执行对高温部件的热弹性蠕变有限元载荷循环计算直至考核点各状态点的总应变稳定，可令计算至总应变稳定时的载荷循环正好被加载至第n个循环。

一个循环可以是飞机例如从飞机起飞至降落的过程，在此过程中高温、应力等等对高温部件所施加的作用称为一个循环的载荷。在评估高温部件的寿命时，需要采用仿真方法，对高温部件自第一个循环起，不断加载载荷循环，并评估在这些载荷循环的情况下部件的应力和应变，由此评估部件的损伤，最终得到寿命预测。

如上所述，有限元计算显然是高度精准的，但是计算量非常大，因此，在本发明中，仅采用有限元计算至考核点各状态点的总应变稳定为止。随着载荷循环的不断加载，加载到一定的循环，考核点各状态点的总应变会基本维持不变，此时可停止热弹性蠕变有限元计算。状态点是载荷谱中一些特殊的时间点，例如高温起飞状态点、巡航状态点，等等。寿命评估时，需要着重考虑循环加载过程中这些状态点的应力、应变。

在本文中假设，在循环加载至第n个循环时，总应变保持不变。这n个循环中采用热弹性蠕变有限元计算出的应力结果可用来验证等应变松弛模型的准确性，从而用于校准多轴修正系数，以得到最优的多轴修正系数。

较优地，先采用热弹性蠕变有限元计算预定数目个的载荷循环。在计算了预定数目个载荷循环之后，每执行一个循环的计算，就在循环结束后确定考核点各状态点的总应变相比于前一循环是否小于预设的应变容许误差，若小于该应变容许误差，则表示总应变稳定，加载至此时的循环数例如为n，热弹性蠕变有限元计算结束，否则继续下一循环的计算。

当然，热弹性蠕变有限元计算有个先决条件，即高温部件的最高服役温度是否大于0.3倍的材料熔点。若该条件不成立，则明部件中蠕变引起的引力松弛不明显，表示本方法不适用，结束流程。

步骤102：最优多轴修正系数获取；

在此步骤中，基于单轴等应变松弛模型结合多轴修正系数M来计算考核点的应力直至第n个循环，其中M被不断调整以使得最终通过单轴等应变松弛模型结合多轴修正系数M计算出的n个循环内的应力历程与通过热弹性蠕变有限元计算出的n个循环内的应力历程相一致，从而获得最优多轴修正系数M。

由于等应变松弛模型计算是一种近似计算，因此，传统采用等应变松弛模型计算应力存在较大误差。在本发明中，通过以上述热弹性蠕变有限元计算出的前n个循环的应力历程作为基准，来校准多轴修正系数M，以得到相对准确的多轴修正系数M，来用于后续的等应变松弛模型计算。

在一实例中，首先，设定一初始的多轴修正系数M，然后基于单轴等应变松弛模型结合所设定的M来计算考核点的应力直至第n个载荷循环，此时判断由此得到的这n个循环内考核点在所选状态点的应力与热弹性蠕变有限元计算得到的n个循环内考核点在所选状态点的应力之间的误差是否小于预设的应力容许误差，若小于该应力容许误差，则表示当前设定的M为最优多轴修正系数，否则调整多轴修正系数M，然后基于该调整后的多轴修正系数M使用单轴等应变松弛模型再次计算前n个载荷循环内考核点在所选状态点的应力，直至误差小于应力容许误差。

选择状态点时可以忽略载荷谱中持续时间较短，应力水平较低、温度较低的状态点，保留对疲劳损伤贡献较大的高应力、高温度的状态点和对蠕变贡献较大的持续时间较长的状态点。

具体地，在基于单轴等应变松弛模型结合所设定的M来计算考核点的应力时，需要用到起始应力。因此，可以在步骤101中建立的有限元模型中，去掉蠕变本构模型，执行热弹性有限元分析以获得考核点在第一个载荷循环的应力，然后，以由此获得的考核点在第一个载荷循环的应力作为起始应力来执行等应变松弛模型计算。

步骤103：结合最优多轴修正系数的等应变松弛模型计算；

在此步骤中，采用所获得的最优多轴修正系数M基于单轴等应变松弛模型来计算考核点在n个循环后的应力松弛历程直至考核点各状态点的应力松弛稳定，其中计算至应力松弛稳定时的载荷循环被加载至第k个循环

在一实例中，在n个循环后，接下来，可采用该最优多轴修正系数M基于单轴等应变松弛模型来计算考核点下一个载荷循环的应力，确定考核点各状态点的应力是否小于应力下限，若小于应力下限，则表示应力松弛稳定，得到应力松弛稳定时的循环数k，否则进行下一循环的计算直至计算出的考核点各 状态点的应力小于应力下限为止。

步骤104：蠕变损伤计算；

在此步骤中，基于前k个载荷循环内的应力计算前k个载荷循环内的蠕变损伤和第k个载荷循环的蠕变损伤。

前面的计算获得了前k个循环的应力历程，蠕变损伤与应力有关，因此，可以基于获得的应力历程来计算各循环的蠕变损伤。尽管这里的等应变松弛模型已经经过校准，因此，采用等应变松弛模型和热弹性蠕变有限元法计算出的应力结果都可以用于蠕变损伤计算，但是实践中，对前n个载荷循环，较优地还是采用步骤101中热弹性蠕变有限元计算出的应力结果来计算蠕变损伤。对于第n+1至第k个循环，此时总应变已经稳定，可以依据等应变松弛模型计算出的应力结果进行蠕变损伤计算。

步骤105：疲劳损伤计算；

在此步骤中，基于前n个载荷循环内的应力和应变计算前n个载荷循环内的疲劳损伤和第n个载荷循环内的疲劳损伤。

假设一个循环包括N个状态点，则具体地，对于前n个载荷循环中的每个载荷循环，分别需要执行以下步骤：

将这N个状态点两两配对来计算寿命，总共可以得到N*(N-1)/2个寿命值，将这些寿命值中的最小值作为临时主循环对应的寿命。这里的两两状态点配对实际上构成了当前载荷循环内的许多子循环，计算这些子循环的寿命，寿命最小的那个子循环可被视为临时的主循环。然后，选择该临时主循环的两个状态点中的一个状态点作为基准状态点。实践中，可以将应力小、温度低的状态点选为该基准状态点。

然后，基于该基准状态点计算每个状态点的寿命并以寿命的倒数作为该状态点的相对损伤，再以各时间点的相对损伤进行雨流计数得到该载荷循环中的主循环及各次循环。雨流计数算法是本领域公知的，在此不再赘述。求得了主循环和次循环之后，即可计算获得的主循环和各次循环的寿命及相应损伤，主循环和各次循环的损伤之和为该载荷循环中的疲劳损伤。

进一步具体地，基于该基准状态点计算每个状态点的寿命可包括计算每个 状态点相对于该基准状态点的应变分量差值，计算每个状态点相应的应变分量差值的等效应，以及以每个状态点的等效应变作为应变范围计算各状态点的寿命，并以寿命的倒数作为该状态点的相对损伤。

进一步具体地，计算获得的主循环和各次循环的寿命及相应损伤可包括对主循环中的两个状态点计算应变分量差值及相应的等效应变，以此等效应变作为应变范围计算主循环的寿命，并以主循环的寿命的倒数为主循环的损伤；对次循环中的两个状态点计算应变分量差值及相应的等效应变，以此等效应变作为应变范围计算次循环的寿命，并以次循环的寿命的倒数为次循环的损伤，以及将主循环的损伤与次循环的损伤相加作为该载荷循环中的疲劳损伤

尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

图2是示出了根据本发明的具体实施例的评估方法200的流程图。如图2所示，方法200具体包括以下步骤：

步骤201：启动流程，初始化计算参数s＝1,其中s用于表示有限元循环加载步数，令s_max为最大循环加载步数；

步骤202：判断部件最高服役温度是否大于0.3倍的材料熔点，若成立，进入应力松弛计算阶段，即进入步骤203，若不成立，表明部件中蠕变引起的引力松弛不明显，表示本方法不适用，结束流程；

步骤203：进行第s步热弹性蠕变有限元计算，弹性本构关系采用各向同性本构方程或者各向异性本构方程，蠕变本构根据单轴蠕变试验结果，采用时间硬化或者应变硬化蠕变方程进行描述；

例如，建立有限元模型，在高温部件上施加载荷，进行第1步热弹性蠕变有限元计算，弹性本构关系采用正交各向异性本构关系，蠕变本构采用时间综合硬化蠕变本构关系，如下：

{ε}＝[C]{σ} (公式1)

其中，{ε}＝[ε₁₁ε₂₂ε₃₃γ₁₂γ₂₃γ₃₁]^T

{σ}＝[σ₁₁σ₂₂σ₃₃τ₁₂τ₂₃τ₃₁]^T

其中E、μ、G分别是材料主轴方向的弹性模量、泊松比和剪切模量,ε₁₁、ε₂₂、ε₃₃、γ₁₂、γ₂₃、γ₃₁是主轴坐标系中的应变分量，σ₁₁、σ₂₂、σ₃₃、τ₁₂、τ₂₃、τ₃₁是主轴坐标系中的应力分量，C是主轴坐标系中的弹性矩阵。

例如，蠕变本构采用综合时间硬化隐式蠕变方程：

其中，ε_c是等效蠕变应变，σ是等效应力。t是子步的结束时间，T为绝对温度。c₁～c₇是从材料试验数据拟合得到的参数，是应力、温度、时间的函数，其中要求c₁>0,c₅>0。

步骤204：判断目前加载步数是否大于最大加载步数，若不成立，加载步数增加1(即s加1)，返回步骤203；若成立，进入下一步。重复步骤203、204直到热弹性蠕变有限元循环加载达到预定最大步数s_max。最大加载步数根据有限元模型大小及计算能力设定；

步骤205：提取步骤203中s步热弹性蠕变有限元计算得到的考核点的总应变ε_s；

步骤206：计算考核点各状态点总应变变化幅度△ε＝ε_s-ε_s-1，若△ε小于容许误差，进入步骤207；若不成立，加载步数增加1，返回步骤203，重复步骤203-206使得考核点各状态点的总应变变化幅度小于预定容许误差。这一步是基于等应变应力松弛方法模拟后续循环内的应力历程的前提。

步骤207：获得热弹性蠕变有限元循环加载计算至总应变稳定时的总加载步数n＝s；

步骤208：提取n个循环内的完整应力、应变历程；

步骤209：在步骤203中建立的有限元模型中，去掉蠕变本构模型，进行热弹性有限元分析；

210：选取考核点需要考虑应力松弛的状态点，选取方法为：忽略载荷谱中持续时间较短，应力水平较低、温度较低的状态点，保留对疲劳损伤贡献较大的高应力、高温度的状态点和对蠕变贡献较大的持续时间较长的状态点；

211：提取考核点各状态点的起始应力；

这里提取的是采用热弹性有限元分析获得的考核点各状态点的第一个载荷循环的应力，以作为起始应力。

步骤212：设定多轴修正系数M；

步骤213：基于步骤203中建立的蠕变本构模型，从第一个循环开始计算当前循环(循环标号为a)各状态点持续时间内的蠕变应变；

步骤214：基于单轴等应变松弛模型结合多轴修正系数计算考核点a循环内的松弛应力，计算方法如下：a循环内i-1时刻的弹性应变和蠕变应变分别为可由步骤213计算得到，i时刻的弹性应变和蠕变应变分别为则i时刻的松弛应力按如下公式计算：

(公式2)

其中，σⁱ、σ^i-1是i、i-1两个时刻的应力，E是i、i-1两个时刻的平均弹性模量，是i-1时刻对应的蠕变应变率，△t是两个时刻的时间差。利用上式，通过初始应力即可以近似得到蠕变松弛后的应力。上式中，蠕变应变率可由步骤203中根据单轴蠕变试验结果确定的蠕变本构方程确定。每通过公式2算出一个σⁱ，需要通过如下公式对应力松弛过程进行进一步多轴修正：

(公式3)

即，上述公式2中计算出的一时刻的松弛应力需要通过公式3进行对轴修正，修正后的值用于通过公式2进行下一时刻的松弛应力的计算。

步骤215：判断循环数a是否大于步骤207中得到的有限元循环加载总步数n，若不成立，循环步数增加1，返回步骤213；若成立，进入下一步。重复步骤213-215直到得到与有限元加载步数n一致的应力历程；

步骤216：提取n步内考核点各状态点松弛应力；

步骤217：比较步骤208中得到的应力历程和216中得到的应力历程；

步骤218：判断在保证模拟结果比有限元计算结果相对保守的前提下，误差是否小于容许误差，若不成立，返回步骤212，修改多轴修改系数M后重复步骤213-217，直到满足误差要求；若成立，进入下一步；

步骤219：基于优化后的多轴修正因子M及等应变松弛模型，以步骤213-214同样的方法计算考核点n循环后的应力松弛历程；

步骤220：判断考核点各状态点松弛应力是否小于应力下限，若不成立，循环数增加1，返回步骤219继续计算下一循环的松弛应力，得到各状态点松弛应力达到应力下限时的循环数k；若成立，进入下一步；

步骤221：计算k个循环内的蠕变损伤和第k个循环的蠕变损伤，计算方法如下：将应力和温度按时间步长△t进行细分，每一步内的蠕变损伤定义为：

(公式4)

其中为i步内蠕变损伤增量，△t_i为第i步时间步长，t_i为i步应力σⁱ、温度T_i对应的单点蠕变寿命，t_i按持久应力寿命曲线方程或持久热强综合参数方程计算。总的时间步数L＝k个循环的总时长除以每个时间步骤△t，k个循环内蠕变造成的损伤D^creep为：

(公式5)

子步内用于计算蠕变寿命的应力和温度值取子步内应力和温度的最大值。上述计算方法不仅适用于单次起落循环中蠕变造成的损伤，也用于全寿命周期内蠕变造成的损伤。

步骤222：基于步骤207中获得的前n个循环内的应力、应变历程，计算n个循环内的疲劳损伤和第n个循环的疲劳损伤，计算方法如下：首先对载荷谱中N个状态点两两配对计算寿命，具体步骤如下

(1)计算循环中每个状态点的所有应变分量，t_i时应变分量为t_j时应变分量为

(2)计算t_i与t_j两个状态点的应变分量差值

(公式6)

(3)计算t_i与t_j两个状态点的应变分量差值的等效应变

(公式7)

其中ν^*是等效泊松比，对于塑性应变，ν^*取0.5，对于弹性应变及热应变，ν^*取材料的泊松比。

(4)以作为应变范围，取t_i与t_j两个状态点对应的温度T_i、T_j中的较大值对应的材料参数，按下式计算t_i与t_j两个状态点对应的寿命值

(公式7)

σ'_f为疲劳强度系数，为平均应力，E为弹性模量，b为疲劳强度指数，ε'_f为疲劳延性系数，c为疲劳延性指数。平均应力计算方式如下：

(公式8)

其中σ_xm、σ_ym、σ_zm、τ_xym、τ_yzm、τ_zxm分别是循环中主应力与剪应力各分量的平均应力，如σ₁、σ₂、σ₃代表三个主应力。若平均应力为负值，则进行保守处理，不进行修正。

对于应力已经超过屈服极限的情况，按下式进行塑性修正，再将修正得到的应变值带入寿命公式计算其低周疲劳寿命。

(公式8)

公式8中，K_t为应力集中系数，S为名义应力，E为弹性模量，σ为塑性修正后的真实应力，K'为循环强度系数，n'为循环应变硬化指数。

对于N个状态点的循环，总共可以得到N*(N-1)/2个寿命值，将其中最小值作为主循环对应寿命。对次循环进行如下损伤雨流计数过程。

(5)将(1)-(4)中确定的主循环中最小状态时间点定义为t₀，t₀时刻应变分量为

(6)按(2)计算循环中每个状态点i相对于t₀状态点的应变分量差值；

(7)按(3)计算每个状态点的应变分量差值的等效应变；

(8)按(4)计算各时间点的寿命，并以寿命的倒数作为该时间点的相对损伤；

(9)以各时间点的相对损伤进行雨流计数得到该飞行循环中的主循环及各次循环，并按步骤(4)中的方法重新计算各主循环及次循环的寿命及损伤，该循环中的总损伤为主循环及各次循环损伤之和。

步骤223：计算全寿命周期内的蠕变疲劳总损伤及对应的蠕变疲劳寿命。对于蠕变损伤，步骤221中已获得应力松弛至应力下限时对应循环k以内的损伤已经第k个循环的损伤，k循环后的蠕变损伤以第k个循环的损伤近似计算；对于疲劳损伤，步骤222中已获得有限元循环加载至总应变稳定时对应的循环n内的损伤及第n个循环的损伤，n循环后的损伤以第n个循环的损伤近似计算。

全寿命周期的总损伤及寿命计算方法如下：第i个循环造成的疲劳损伤记为蠕变损伤记为若第N个循环时，蠕变疲劳造成的总损伤达到临界损伤D^临界，定义为部件失效，对应的F即为蠕变疲劳寿命。

(公式9)

根据上式即可求解出蠕变疲劳寿命F。

步骤224：结束。

以下示出一个计算实例。该实例中，

按步骤201：S＝1，令s_max＝51；

按步骤202：由于部件最高服役温度已超过0.3倍的材料熔点，部件设计中应考虑应力松弛效应，故进入应力松弛计算流程；

按步骤203：建立有限元模型，在部件上施加载荷，进行第1步热弹性蠕 变有限元计算；

按步骤204：按步骤203循环加载直到加载步数达到设定的最大步数51；

按步骤205、206：提取步骤203中计算得到的最后一步的总应变，相比前一步的总应变，应变变化幅度已小于设定的容许误差，如图3所示。

按步骤207：获得有限元加载总步数n＝51；

按步骤208：提取51个循环内的完整应力、应变历程，如图3、图4所示；

按步骤209：在步骤203中建立的有限元模型中，去掉蠕变本构模型，进行热弹性有限元分析；

按步骤210：选取考核点需要考虑应力松弛的状态点，如图5所示，选取应力大、温度高的状态点1和持续时间长的状态点2，而忽略其余对损伤贡献较小的状态点；

按步骤211：提取考核点各状态点的起始应力，如图6中标注的σ₁₀、σ₂₀；

按步骤212：设定多轴修正系数M初值为1；

按步骤213、214、215：循环迭代求解考核点各状态点松弛应力值，直到循环数等于有限元加载步数51，如图6中所示。

按步骤216：提取的51步内考核点各状态点松弛应力如图6所示；

按步骤217、218：比较步骤207中得到的应力历程和步骤216中得到的应力历程，发现步骤216中基于等应变松弛模型得到的应力松弛历程与有限元计算得到的应力松弛历程偏差较大，故不断调整多轴修正因子M使模拟结果比有限元计算结果相对保守，如图6所示。

步骤219、220：基于优化后的多轴修正因子M及等应变松弛模型，以步骤213、214同样的方法计算考核点51个循环后的应力松弛历程，直到考核点各状态点松弛应力达到应力下限。

如图6所示，状态点2松弛应力在第64个循环达到应力下限，状态点1松弛应力在第370个循环达到应力下限，对达到应力下限后的应力全部按应力下限值计算。图6中σ₁₀、σ₂₀分别是状态点1和状态点2的起始应力，σ_1L、σ_2L分别是两个状态的应力下限。标注“FEM”的两条线分别是状态点1和状态点2前51个循环内有限元循环加载计算得到的应力松弛过程，标注“等应变松弛 模拟”的两条线是对应的按步骤212-219预测的应力松弛历程。

按步骤221、222、223：计算的全寿命周期内的蠕变损伤、疲劳损伤、蠕变疲劳损伤及寿命如下表1所示：

表1

步骤224：结束

图7是示出了根据本发明的一方面的考虑应力松弛效应的高温部件的蠕变疲劳寿命的评估装置700的框图。

如图7所示，评估装置700可包括热弹性蠕变有限元计算单元701，可用于基于蠕变本构模型和弹性本构模型建立有限元模型，执行对该高温部件的热弹性蠕变有限元载荷循环计算直至考核点各状态点的总应变稳定，其中，计算至总应变稳定时的载荷循环被加载至第n个循环。

在一实例中，热弹性蠕变有限元计算单元701可先执行热弹性蠕变有限元载荷循环计算达预定数目个循环，然后执行下一个循环的计算，并在循环结束后确定考核点各状态点的总应变相比于前一循环是否小于预设的应变容许误差；若小于该应变容许误差，则表示总应变稳定，得到总应变稳定时的循环数n，热弹性蠕变有限元计算结束，否则继续下一循环的计算直至判断相比于前一循环小于预设的应变容许误差。该热弹性蠕变有限元计算单元701仅在该高温部件的最高服役温度大于0.3倍的材料熔点的情况下执行计算。

评估装置700还可包括等应变松弛模型计算单元702，可用于基于单轴等应变松弛模型结合多轴修正系数M来计算考核点的应力直至第n个循环，其中M被不断调整以使得最终通过单轴等应变松弛模型结合多轴修正系数M计算出的n个循环内的应力历程与通过热弹性蠕变有限元计算出的n个循环内的应力历程相一致，从而获得最优多轴修正系数M，该等应变松弛模型计算单元 还采用该最优多轴修正系数M基于单轴等应变松弛模型来计算考核点在n个循环后的应力松弛历程直至考核点各状态点的应力松弛稳定，其中计算至应力松弛稳定时的载荷循环被加载至第k个循环。

在一实例中，评估装置700还可包括多轴修正系数设定单元(未示出)，以用于设定多轴修正系数M。等应变松弛模型计算单元702可基于单轴等应变松弛模型结合所设定的M来计算考核点的应力直至第n个循环；判断得到的n个循环内考核点在所选状态点的应力与该热弹性蠕变有限元计算单元得到的n个循环内考核点在所选状态点的应力之间的误差是否小于预设的应力容许误差；若小于该应力容许误差，则表示当前设定的M为该最优多轴修正系数，否则由该多轴修正系数设定单元调整多轴修正系数M，基于调整后的M再次计算，直至计算出的n个循环内考核点在所选状态点的应力与该热弹性蠕变有限元计算单元得到的n个循环内考核点在所选状态点的应力之间的误差小于预设的应力容许误差。

具体地，评估装置700还可包括热弹性有限元计算单元(未示出)以用于执行热弹性有限元分析以获得考核点在第一个载荷循环的应力。等应变松弛模型计算单元702以考核点在第一个载荷循环的应力作为起始应力来执行计算。

等应变松弛模型计算单元702可具体地，在n个循环后，采用该最优多轴修正系数M基于单轴等应变松弛模型来计算考核点下一个载荷循环的应力；确定考核点各状态点的应力是否小于应力下限；若小于应力下限，则表示应力松弛稳定，得到应力松弛稳定时的循环数k，否则进行下一循环的计算直至考核点各状态点的应力小于应力下限为止。

评估装置700还可包括蠕变损伤计算单元703，用于基于前k个载荷循环内的应力计算前k个载荷循环内的蠕变损伤和第k个载荷循环的蠕变损伤。具体地，蠕变损伤计算单元703可基于由热弹性蠕变有限元计算单元701计算出的前n个循环的应力以及由等应变松弛模型计算单元702计算出的第n+1至第k个循环的应力来计算前k个载荷循环内的蠕变损伤和第k个载荷循环的蠕变损伤。

评估装置700还可包括疲劳损伤计算单元704，用于基于前n个载荷循环 内的应力和应变计算前n个载荷循环内的疲劳损伤和第n个载荷循环内的疲劳损伤。

具体地，疲劳损伤计算单元704可包括基准状态点确定单元、状态点寿命计算单元、主次循环确定单元、以及主次循环损伤计算单元。令各载荷循环包括N个状态点，对于前n个载荷循环中的每个载荷循环，基准状态点确定单元可将这N个状态点两两配对来计算寿命，总共可以得到N*(N-1)/2个寿命值，将这些寿命值中的最小值作为主循环对应的寿命，选择主循环中的一个状态点作为基准状态点。状态点寿命计算单元可以该基准状态点为参考基准计算每个状态点的寿命并以寿命的倒数作为该状态点的相对损伤，以及主次循环确定单元可以各时间点的相对损伤进行雨流计数得到该载荷循环中的主循环及次循环，最后，主次循环损伤计算单元可计算所获得的主循环和次循环的寿命及相应损伤，主循环和次循环的损伤之和为该载荷循环中的疲劳损伤。

更具体地，状态点寿命计算单元可包括应变分量差值计算单元，以用于计算每个状态点相对于该基准状态点的应变分量差值，等效应变计算单元以用于计算每个状态点相应的应变分量差值的等效应变，以及寿命计算单元，以用于以每个状态点的等效应变作为应变范围计算各状态点的寿命，并以寿命的倒数作为该状态点的相对损伤。

更具体地，该主次循环损伤计算单元可包括主循环损伤计算单元，以用于对主循环中的两个状态点计算应变分量差值及相应的等效应变，以此等效应变作为应变范围计算主循环的寿命，并以主循环的寿命的倒数为主循环的损伤。该主次循环损伤计算单元还可包括次循环损伤计算单元以对次循环中的两个状态点计算应变分量差值及相应的等效应变，以此等效应变作为应变范围计算次循环的寿命，并以次循环的寿命的倒数为次循环的损伤。另外，主次循环损伤计算单元还可包括损伤求和单元以用于将主循环的损伤与次循环的损伤相加作为该载荷循环中的疲劳损伤。

本领域技术人员将领会，结合本文中所公开的实施例来描述的各种解说性逻辑板块、模块、电路、和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件、或这两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、框、 模块、电路、和步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设计约束。技术人员对于每种特定应用可用不同的方式来实现所描述的功能性，但这样的实现决策不应被解读成导致脱离了本发明的范围。

结合本文所公开的实施例描述的各种解说性逻辑模块、和电路可用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其设计成执行本文所描述功能的任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，该处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心协作的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。

结合本文中公开的实施例描述的方法或算法的步骤可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合中体现。软件模块可驻留在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM、或本领域中所知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质耦合到处理器以使得该处理器能从/向该存储介质读取和写入信息。在替换方案中，存储介质可以被整合到处理器。处理器和存储介质可驻留在ASIC中。ASIC可驻留在用户终端中。在替换方案中，处理器和存储介质可作为分立组件驻留在用户终端中。

在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现为计算机程序产品，则各功能可以作为一条或更多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，其包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的合意程序代码且能被计算机访问的任何其它介质。任何连接也 被正当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、服务器、或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(CD)、激光碟、光碟、数字多用碟(DVD)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据，而碟(disc)用激光以光学方式再现数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。