DB34 T 3574.6-2019 聚变装置铁磁性系统结构设计准则第6部分：疲劳寿命评判方法.pdf

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1、ICS 27.120.10 F 61 DB34 安徽省地方标准 DB 34/T 3574.62019 聚变装置铁磁性系统结构设计准则 第 6 部分：疲劳寿命评判方法 Structural designcriteria of ferromagnetic systemfor fusion device Part 6: An evaluation method to fatigue life 文稿版次选择 2019 - 12 - 25 发布 2020 - 01 - 25 实施 安徽省市场监督管理局 发布 DB34/T 3574.62019 I 前 言 聚变装置铁磁性系统结构设计准则分为以下8个部分：

2、 第 1 部分：总体设计； 第 2 部分：包层系统； 第 3 部分：偏滤器系统； 第 4 部分：管林系统； 第 5 部分：3Sm 规则； 第 6 部分：疲劳寿命评判方法； 第 7 部分：制造与检测； 第 8 部分：辐射屏蔽。 本部分为第6部分。 本部分按照 GB/T 1.1-2009 给出的规则起草。 本部分由中国科学院等离子体物理研究所提出。 本部分由安徽省核聚变工程技术及应用标准化技术委员会归口。 本部分起草单位：中国科学院等离子体物理研究所、安徽省质量和标准化研究所。 本部分主要起草人：雷明准、李强、王万景、刘松林、卯鑫、沈俊松、汪键、李波、万玉洁。 DB34/T 3574.62019

3、1 聚变装置铁磁性系统结构设计准则 第 6 部分：疲劳寿命评判方法 1 范围 本部分规定了聚变装置铁磁性系统结构设计的术语和定义、基本功能、疲劳寿命分析评判方法。 本部分适用于聚变装置磁性系统内部部件第一壁在数值分析时疲劳寿命的计算。 2 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文 件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 GB/T 4337-2015 金属材料疲劳试验旋转弯曲方法 3 术语和定义 GB/T 4337-2015 界定的以及下列术 语和定义适用于本文件。为了便于使用，以下重复列出了GB/T

4、 4337-2015 中的一些术语和定义。 3.1 雨流计数法 rain flow c ounting method 根据载荷历程得到全部的载荷循环，分别计算出全循环的幅值，并根据这些幅值得到不同幅值区间 内所具有的频次。 3.2 Miner 线性叠加法则 miner linear superposition rule 在规律性变幅循环应力作用下，各应力对材料造成的损伤是独立进行的，并可以线性地累积成总损 伤，当各应力的寿命损伤率之和等于 1 时，材料将会发生疲劳。 3.3 疲劳寿命 fatigu e life 达到疲劳失效判据的实际循环数。 GB/T 4337-2015，定义3.2 3.4

5、疲劳寿命的评判方法 evaluation method for fatigue life 对给定的服役环境进行评估， 根据内部部件不同位置和材料的安全阈值的设定分析得出偏滤器和包 层在该服役环境下的疲劳失效主要因素的方法。 DB34/T 3574.62019 2 4 基本功能 4.1 对给定的运行环境进行结果评估。 4.2 根据内部部件不同位置和材料的安全阈值的设定分析得出偏滤器和包层等内部部件在该服役环境 下的疲劳失效的主要因素。 4.3 给出相关的防护措施和维护建议或者对内部部件的设计提出改进意见。 5 疲劳寿命分析评判方法 5.1 温度和应力时间历程 将聚变装置内部部件在运行环境中承受的

6、复杂载荷转换成部件材料的温度和应力时间历程。 5.2 材料最大应力和对应的温度 利用雨流计数法（见附录A）将不规则的应力时间历程转换成一系列的循环计数段，得到不同计数 段中材料最大应力和对应的温度。 5.3 弹性应力范围 对于每个计数段，根据数值分析的结果得到其弹性应力范围。 5.4 总循环应变范围 可通过公式（1）把弹性分析的应力结果转换成该计数段总循环应变范围，等效循环应变图见图A.1 中。 4321 . (1) 式中： ：总循环应变范围； 1 ：循环应变中弹性应变部分,通过公式（2）计算得到； 2 ：利用公式（3）计算得到，但由于周期性一次应力引发的塑性应变部分，通常很小，可以忽 略；

7、3 ：循环应变中的塑性增加部分，通过公式（4）计算得到； 4 ：由于体积形变增加的塑性形变范围，利用公式（5）计算得到。 )(1( 3 2 1 E v tot . (2) 式中： ：总弹性应力，兆帕（MPa）； DB34/T 3574.62019 3 v：泊松比； E：弹性模量，兆帕（MPa）； P：一次应力，兆帕（MPa）； Q：二次应力，兆帕（MPa）； F：峰值应力，兆帕（MPa）。 E vP eff cyclic 3 )1(2 2 . (3) 式中： ：有效一次应力范围， ，兆帕（MPa）； ：为与 对应的循环应变范围； m P ：整体一次膜应力,兆帕（MPa）； b P ：弯曲应力,

8、兆帕（MPa）； L P ：局部一次膜应力,兆帕（MPa）； v：泊松比； E：弹性模量，兆帕（MPa）。 312 (1)( )K . (4) 式中： K ：应变集中系数。 . (5) 式中： v K ：泊松比修正系数。 5.5 疲劳损伤值计算 对不同循环计数段对应的应力水平的疲劳损伤进行量化， 利用材料的循环应变疲劳寿命曲线得到该 应力水平下疲劳失效的最大循环次数 f N ，后对其求倒数得到该应力水平下单次循环的疲劳损伤值见公 式（6）。 f Nd /1 . (6) 式中： d：疲劳损伤值； DB34/T 3574.62019 4 f N ：最大循环次数。 5.6 总疲劳损伤值计算 统计每一

9、种应力水平经历的循环次数 i N ， 采用 Miner 线性叠加法则得到服役历程中的总疲劳损伤 值，见公式（7）。 . (7) 式中： D：总疲劳损伤值； i N ：每一种应力水平经历的循环次数； fi N ：每一种应力水平下疲劳失效的最大循环次数。 6 内部部件整体结构的疲劳寿命分析评判准则 6.1 偏滤器和包层结构构造中采用多种材料，分别对不同位置和材料设置不同的总疲劳损伤阈值 ci D ， 内部部件任何一个部位疲劳损伤值达到设定的阈值，则认为发生疲劳损伤。 6.2 根据分析结果能够得到聚变装置运行中偏滤器的己使用疲劳寿命和剩余疲劳寿命。 6.3 分析出偏滤器和包层在服役环境中失效的主要因

10、素和总疲劳寿命，结合相关实验数据或工程实际 给出合理的维护措施或者对偏滤器和包层的设计提出改进意见。 DB34/T 3574.62019 5 A A 附 录 A （规范性附录） 雨流计数法 A.1 雨流计数法 A.1.1 原理 A.1.1.1 雨流计数法适用于疲劳计算。 A.1.1.2 随机时间序列X（t） （应力和时间的关系S（t）是假设的）被转换为峰值和谷值的点过程，见 图A.1。 图A.1 等效循环应变图 A.1.2 规则 A.1.2.1 雨流依次从载荷时间历程的峰值位置的内侧沿着斜坡往下流。 A.1.2.2 雨流从某一个峰值点开始流动，当遇到比其起始峰值更大的峰值时应停止流动。 A.1

11、.2.3 雨流遇到上面流下的雨流时，应停止流动。 A.1.2.4 取出所有的全循环，记下每个循环的幅度。 A.1.2.5 将第一阶段计数后剩下的发散收敛载荷时间历程等效为一个收敛发散型的载荷时间历程，进 行第二阶段的雨流计数。计数循环的总数等于两个计数阶段的计数循环之和。 A.1.2.6 图A.2中应用于该过程的雨流量计算结果： 波谷产生的半周期应力范围为 1-8，3-3a，5-5a，7-7a， 9-10，11-12 和 13-14； 峰值产生的半周期应力范围为 2-3，4-5，6-7，10-12b ，12-12a 和 8-（9）-13； 总计数为全周期：2-3-3a，4-5-5a，6- 7-7a，9-10-12b（9）和 11-12-12a（11）；半周期： 1-8,8-13 和 13-14。 A.1.3 要点63 DB34/T 3574.62019 6 A.1.3.1 载荷-时间历程的每一部分都参与计数，且只计数一次，一个大的幅值所引起的损伤不受截断 它的小循环的影响，截出的小循环迭加到较大的循环和半循环上去。 A.1.3.2 应跟据累计损伤理论，将结果输入电脑，进行构件的疲劳寿命估算。 图A.2 应变与时间的关系图 _