基于热力学熵的关键设备剩余寿命预测理论方法研究

Aiming at the problems of the life prediction for the key equipment in the industrial process, a novel remaining life prediction theory and method using the thermodynamic entropy is proposed. On the basis of Clausius-Duhern's inequality and Morrow's hypothesis theory, the thermodynamic entropy produced in metal plastic deformation is adopted to predict the remaining life. Groups of fatigue damage experiments are carried out using three common metals of key equipments, including 30Cr1Mo1V low carbon alloy steel, SUS304 stainless steel and 6061-T6 aluminum magnesium alloy steel, to analyze the influence of parameters of different metal materials under the same conditions, and establish function between load amplitude and the thermodynamic entropy. Then life prediction model based on thermodynamic entropy for standard metal specimen is established, and it is compared with the results of continuum damage mechanics model. On the basis of the experimental data, load changes and the operational changes of the equipment are simulated and analyzed. The variation of load responses to that of equipment. Using the extended multi thermodynamic entropy algorithm, the life prediction of standard metal specimen is raised to the life prediction of key equipment, so as to provide scientific theoretical support for the remaining life prediction and maintenance decision of key equipment.

针对工业过程中常见的关键设备寿命预测问题，提出建立基于热力学熵的剩余寿命预测理论方法。以Clausius-Duhern不等式和Morrow假设理论为基础，采用金属塑性形变中产生的热力学熵为计算介质对剩余寿命进行预测。通过对三种关键机械设备中常见的金属材料，包括30Cr1Mo1V低碳合金钢、SUS304不锈钢和6061-T6镁铝合金标准构件进行多组疲劳试验，分析相同条件下不同金属材料参数对热力学熵的影响，确定金属耐受极值以及断裂时热力学熵极值，明确载荷幅值及其变化与热力学熵的函数关系，建立基于热力学熵的标准金属构件寿命预测模型，并且与连续介质损伤模型进行对比验证。在疲劳试验数据基础上，对载荷变化与设备工况变化进行仿真分析，用载荷变化反应设备工况变化。采用扩展的多级热力学熵算法，把对标准金属构件的寿命预测提升至对设备的寿命预测层面，从而为关键设备的剩余使用寿命预测和维修决策提供科学理论支持。

本项目针对机械装备中常见的疲劳损伤评估、应力控制以及剩余使用寿命预测问题展开研究，主要工作从疲劳损伤产生机理研究展开，通过改进连续介质损伤评估模型和建立的多级热力学熵评估模型进行对比，确定应力控制策略，为后续的关键机械装备部件故障诊断和剩余使用寿命预测提供依据。揭示了关键机械设备运行工况的变化对热力学熵的影响机理，建立了具备一定精度的寿命预测模型，得到了一套基于热力学熵的关键设备损伤评估和寿命预测方面的理论方法。通过与当前公开发表的剩余寿命预测理论进行对比，验证了本项目提出的基于热力学熵的关键设备剩余寿命预测模型的精度。.在本项目支持下，研究团队共发表了1篇SCI期刊文章，7篇EI检索论文，1篇中文核心期刊文章，申请了8个发明专利，并且培养了4名硕士研究生，完成了项目既定研究目标。.本项目理论方法可以解决一类高水平变负荷机械设备的寿命预测问题，同时可以为企业提供相关设备的剩余使用寿命实时变化曲线，可以根据生产需求，有计划地消耗设备的使用寿命，为设备的安全服役和停机维修决策提供科学依据。