蠕变疲劳分析原理与实例

1、热机械疲劳分析背景

•很多构件长期在高温条件下运转。例如,航空发动机叶片的使用温度高达1000℃,

•高温对金属材料的力学性能影响很大

•温度和时间还影响金属材料的断裂形式

关于蠕变疲劳分析的图1

关于蠕变疲劳分析的图2

关于蠕变疲劳分析的图3

关于蠕变疲劳分析的图4

发电设备中的涡轮叶片

关于蠕变疲劳分析的图5

关于蠕变疲劳分析的图6


内燃机部件

关于蠕变疲劳分析的图7

关于蠕变疲劳分析的图8

关于蠕变疲劳分析的图9



2、蠕变

当温度T >=( 0.3~0.5)Tm(Tm为熔点)时,金属材料收到恒定载荷的持续作用,发生与时间相关的变形,称为蠕变。

关于蠕变疲劳分析的图10



位错蠕变(power-lawcreep):

–generally occurs at higher temperature andstress

–atoms and vacancy diffusion allowsdislocations to climb and glide away from obstacles

–Shows strong dependence on applied stress

关于蠕变疲劳分析的图11



扩散蠕变:

Lower stresses and higher Th, bulkdiffusion within the grain occurs due to interstitial and vacancy diffusion(Nabarro-Herring)

关于蠕变疲劳分析的图12

关于蠕变疲劳分析的图13

关于蠕变疲劳分析的图14




3、ANSYS nCode蠕变疲劳模型

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关于蠕变疲劳分析的图18

Larson-Miller

多项式法

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实验数据法

关于蠕变疲劳分析的图21

关于蠕变疲劳分析的图22

根据Larson-Miller参数和相应的温度,可以求解破坏的时间

关于蠕变疲劳分析的图23

在第n个时间步里,损伤为

关于蠕变疲劳分析的图24

在整个持续过程中,总的损伤为

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整个进行的载荷循环为

关于蠕变疲劳分析的图26

Chaboche

该方法基于Rabotnov (1958) 和Kachanov (1969), Chaboche 和Lemaitre (1978,1981)的研究工作提出的,器损伤增量方程:

关于蠕变疲劳分析的图27

D-损伤参数;

A,r,k-与温度相关的材料参数,可以通过不同的应力水平进行蠕变断裂测试获得

Chaboche

关于蠕变疲劳分析的图28

Chaboche

关于蠕变疲劳分析的图29

If both the stress and temperature areconstant, a straightforward equation forthe time to rupture is derived byintegrating Equation 1.

A和r是恒定温度下的数值,如果在测试过程中温度是变化的,则需要采用插值获得A和r。Ncode中使用对数插值方法来获得变化温度的A和r。

对于时间序列载荷谱,可以根据时间历程数据,直接计算损伤。如果内部的样本时间增量非常下,则对于应力sigma的损伤增量为

关于蠕变疲劳分析的图30

累计时间当前的总损伤为D=D+ΔD,这个过程连续重复进行,需要在整个时间序列载荷谱中进行循环,直到D=1,材料发生断裂破坏。

以上这种损伤计算方法效率非常低,对于较长时间的载荷谱需要进行对其优化,优化假设非线性损伤指数k不随温度变化而变化,基于该假设,则

关于蠕变疲劳分析的图31

为了计算蠕变疲劳循环次数,则


关于蠕变疲劳分析的图32

则总体蠕变失效时间

关于蠕变疲劳分析的图33

其中Duration,1小时内的载荷谱信号长度,假设该信号是重复的

关于蠕变疲劳分析的图34

载荷谱的样本点

优化后的算法,实际上只使用了N-1长度的时间历程,因此是在对数算法中,因此还是可以大大提高计算速度和效率。此外,优化后的算好还可以考虑压缩修复的影响

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D(tension)-拉伸损伤;D(|compression|)-压缩损伤;h-修复系数,取值范围-1到1

关于蠕变疲劳分析的图36

关于蠕变疲劳分析的图37




4、工程实例:波纹结构的热-机耦合疲劳计算

材料为不绣钢,热边界如图所示,结构计算中使用两个载荷步,第一个载荷步为热应力;第二个载荷步为机械压力载荷。

关于蠕变疲劳分析的图38

关于蠕变疲劳分析的图39



在波纹结构外侧施加圆柱约束,释放轴向约束;在波纹结构的一侧底面施加无摩擦支撑约束。载荷步为恒定幅值。

关于蠕变疲劳分析的图40

关于蠕变疲劳分析的图41



热边界:在内空施加下图所示的温度曲线

关于蠕变疲劳分析的图42

关于蠕变疲劳分析的图43



关于蠕变疲劳分析的图44

热边界:在外表面施加下图所示的温度曲线关于蠕变疲劳分析的图45

关于蠕变疲劳分析的图46

关于蠕变疲劳分析的图47



在图示位置施加恒定5MPa压力

在图示位置施加圆柱支撑和无摩擦支撑边界材料为结构钢。

关于蠕变疲劳分析的图48

关于蠕变疲劳分析的图49



蠕变计算材料使用下图所示材料

关于蠕变疲劳分析的图50

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