一种高铬钢材料热力学响应及疲劳-蠕变损伤的预测方法技术

本发明专利技术公开了一种高铬钢材料热力学响应及疲劳‑蠕变损伤的预测方法；其包括本构模型建立、材料参数确定、数值积分算法设计以及损伤分析等。与现有技术比较，本发明专利技术能准确模拟高铬钢材料在不同加载条件下的热力学响应，并能对材料的疲劳、蠕变以及疲劳‑蠕变的交互损伤进行分析。这将为运行在复杂多变环境下的超临界发电机组构件的寿命预测和安全设计标准提供更为合理可靠的理论模型。

A Method for Predicting Thermodynamic Response and Fatigue-Creep Damage of High Chromium Steel Materials

The invention discloses a method for predicting thermodynamic response and fatigue creep damage of high chromium steel material, which includes constitutive model establishment, material parameter determination, numerical integration algorithm design and damage analysis, etc. Compared with the prior art, the present invention can accurately simulate the thermodynamic response of high chromium steel under different loading conditions, and can analyze the fatigue, creep and the interaction damage of fatigue and creep of the material. This will provide a more reasonable and reliable theoretical model for life prediction and safety design standards of components of supercritical generating units operating in complex and changeable environments.

【技术实现步骤摘要】
一种高铬钢材料热力学响应及疲劳-蠕变损伤的预测方法
本专利技术涉及高温高压构件在超临界发电机组中使用时的安全设计与剩余寿命预测
，尤其涉及一种高铬钢材料热力学响应及疲劳-蠕变损伤的预测方法。
技术介绍
为保障发电机组中的高温高压构件安全稳定运行，构件通常采用抗蠕变合金材料制造。其中高铬钢作为一类新型抗蠕变合金材料，在高温高压条件下具有优良的性能，目前已被广泛应用于超临界电厂的高温高压设备制造中，并被视为制造下一代超超临界发电机组的理想材料。在高温和复杂加载条件下，高铬钢构件将面临着蠕变、疲劳和氧化腐蚀等不同机制所诱导的损伤问题。科研人员对高铬钢材料的高温蠕变性能和低周疲劳特性都进行了系统的实验研究[1-12]。根据实验结果，可观察到高铬钢材料的高温蠕变具有下述主要特征：1)整个蠕变过程可分为三个阶段，分别为瞬时蠕变、稳态蠕变和加速蠕变阶段[1]，其中稳态蠕变阶段发生在达到最小蠕变率时，持续时间最长；2)材料的最小蠕变速率与应力在一定的应力范围内，在对数坐标中呈线性关系[3,4]；3)平均蠕变断裂时间与应力在一定的应力范围内，在对数坐标中呈线性关系[3,4]；4)高铬钢材料焊接件的蠕变强度远小于其母材的蠕变强度，因此发电机组构件焊接部位的第Ⅳ型蠕变断裂将威胁到设备的总体安全运行[6]。对于高铬钢材料的低周疲劳损伤，研究人员对其在周期载荷条件下的热力学响应也进行了系统的测量，并开展了部分复杂载荷条件下的实验研究。KimandLim[7]深入分析了P92钢焊接件在周期梯形波载荷作用下的断裂属性。Mareketal.[8]测量了高铬钢在同相和不同相热力载荷作用下的疲劳寿命。Fourieretal.[9]对不同的高铬钢材料在蠕变-疲劳交互作用下的热力学响应进行了测量和比较。JunakGandCiésla[10]研究了P91和P92钢在变幅周期载荷条件下的低周疲劳属性。Saad[11]通过恒温循环、加载-停留、热力疲劳等实验，对P91和P92钢的循环塑性应变属性进行了系统的研究。Cuietal.[12]研究了瞬态温度变化对高铬钢疲劳属性的影响。除实验研究之外，为了对高铬钢材料的热力学行为及其不同机制的损伤进行模拟和预测，还需要建立可靠的理论模型。对于蠕变模型，经典的蠕变法则(如Norton法则、Larson-Miller参数等)通常只关注于最小蠕变速率与应力、时间和温度的关系，无法满足构件安全设计的需求。近年来，科研人员也已提出了多个先进的本构模型对高铬钢材料的蠕变行为进行模拟。Baueretal.[13]提出了一个修正的Graham-Walles蠕变模型，引入了一个蠕变损伤变量用于描述加速蠕变阶段。该模型可用于分析在内部压力和轴向加载条件下焊接管内部的等价应力和应变的分布。Hayhurstetal.[14]基于连续损伤机制建立的蠕变模型包含三个内部变量，分别表示材料的应变硬化、析出碳化物的体积和晶包间空隙损伤，可以对材料的蠕变过程进行比较全面的描述。Hydeetal.[15]研究比较了Kachanov型蠕变法则和Liu-Murakami型蠕变法则，发现Liu-Murakami模型在模拟高铬钢材料的稳定性方面具有更好的稳定性。Changetal.[16]基于Norton-Bailey时间硬化法则和Kachanov–Robotnov连续损伤理论建立了本构模型，用于对高铬钢材料的三个蠕变阶段进行描述，并考虑了多轴应力状态的影响。在研究疲劳以及疲劳-蠕变模型领域，Simonetal.[17]提出了一个带损伤变量的循环塑形本构模型，可以用来描述高铬钢在循环外部载荷作用下的热力学响应。该模型中引入了蠕变损伤变量和疲劳损伤变量，并对粘度函数，硬化准则等做了相应的修正。Saad[11]提出了一个Chaboche型循环塑性本构模型，并用来模拟P91钢和P92钢在周期载荷作用下的热力学行为。该模型可以定量预测P91钢和P92钢在单轴外力作用下的应力应变曲线。Barrettetal.[18]建立了一个类似的Chaboche型循环塑性本构模型。为了考虑更广泛的应力范围，该模型选取了Sinh型的粘度函数并考虑了温度变化率的影响。其他的理论模型可参见文献[19-22]。虽然相关领域已经对高铬钢材料进行了深入的研究，但上述模型仍不能满足高铬钢构件安全设计和残余寿命预测的要求，模型还需要得到进一步完善。现有模型不足之处在于：1、缺乏统一的理论模型对高铬钢材料在复杂载荷条件下的热力学行为进行描述。在不同的载荷条件下，材料的热力学响应将由不同的非弹性应变机制所主导。现有的理论模型往往只专注于材料单一的非弹性应变行为，例如，Graham-Walles[13]模型只能用来描述材料在稳定载荷作用下所发生的蠕变，而Chaboche[11,18]塑性模型通常用来描述循环载荷条件下材料的粘塑性变形。在复杂载荷条件下，材料中可能同时发生粘塑性变形和蠕变变形等，这就要求建立适当的理论模型对材料的各种非弹性应变进行统一的描述。2、模型中的材料参数确定，在较为复杂的本构模型中也会是一个难题。特别是对于含有多个内部变量的统一本构模型，在复杂载荷条件下，内部变量可能相互影响、同时发生变化，使得模型的响应机制混沌不清，材料参数无法确定。因此材料参数确定要求设计合理有效的方案解决这个问题，通常是初始化材料参数后，再经由优化算法获取更为匹配的系列参数，以提高预测精度[23]。此外，模型的本构演化方程组通常为复杂的非线性常微分方程组，这就要求设计行之有效的数值积分算法对其进行求解，从而实现对高铬钢材料热力学响应的预测。参考文献：[1]AndradeENC.Ontheviscousflowinmetals,andalliedphenomena.ProcRSocLondonA.1910；84:1–12.[2]EuropeanCreepCollaborativeCommittee,ECCCdatasheets,OMMI2005.[3]NationalResearchInstituteforMetals(NIMS)Japan,Datasheetsontheelevated-temperaturepropertiesof9Cr-1Mo-V-Nbsteeltubesforboilersandheatexchanges(ASMESA-213/SA-213MGradeT91)and9Cr-1Mo-V-Nbsteelplatesforboilersandpressurevessels(ASMESA-387/SA-387MGrade91),1996.[4]NationalResearchInstituteforMetals(NIMS)Japan,Datasheetsontheelevated-temperaturepropertiesof9Cr-0.5Mo-1.8W-V-Nbsteeltubeforpowerboilers(ASMESA-213/SA-213MGradeT92)and9Cr-0.5Mo-1.8W-V-Nbsteelpipeforhightemperatureservice(ASMESA-335/SA-335MGradeP92),2012.[5]NationalR本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高铬钢材料热力学响应及疲劳‑蠕变损伤的预测方法，其特征在于包含以下步骤：步骤一：基于非线性粘弹塑性理论，建立高铬钢材料在高温情况下的粘塑性本构模型；对高铬钢材料在加载过程中的热力学响应进行预测，同时对其疲劳、蠕变以及交互损伤进行分析；步骤二：根据现有的简单加载实验数据，提出合理的材料参数确定方案，实现高温条件下高铬钢材料热力学响应的精确预测；步骤三：求解统一本构模型的演化方程组在不同加载条件下的解，对高铬钢材料在高温复杂情况下的热力学响应进行分析预测；采用Euler后向积分算法求解模型的演化方程组。

【技术特征摘要】
1.一种高铬钢材料热力学响应及疲劳-蠕变损伤的预测方法，其特征在于包含以下步骤：步骤一：基于非线性粘弹塑性理论，建立高铬钢材料在高温情况下的粘塑性本构模型；对高铬钢材料在加载过程中的热力学响应进行预测，同时对其疲劳、蠕变以及交互损伤进行分析；步骤二：根据现有的简单加载实验数据，提出合理的材料参数确定方案，实现高温条件下高铬钢材料热力学响应的精确预测；步骤三：求解统一本构模型的演化方程组在不同加载条件下的解，对高铬钢材料在高温复杂情况下的热力学响应进行分析预测；采用Euler后向积分算法求解模型的演化方程组。2.权利要求1所述高铬钢材料热力学响应及疲劳-蠕变损伤的预测方法，其特征在于步骤一所述基于非线性粘弹塑性理论，建立高铬钢材料在高温情况下的粘塑性本构模型；具体如下：总应变张量：胡克定律：非弹性应变速率：累积塑性应变速率：蠕变速率：运动硬化准则：X＝X1+X2+X3各向同性硬化准则：损伤演化率：模型中：∈为总应变张量，它可分解为弹性应变张量∈e和非弹性应变张量∈in之和；σ为应力张量，它与弹性应变张量∈e满足胡克定律，因∈e可以分解为体积应变部分和偏应变部分，所以对应的应力张量σ也能够分解为体积应力部分σvol和偏应力部分S，其中tr(*)表示张量的迹，I为单位张量，K和G分别为体积弹性模量和剪切弹性模量；非弹性应变速率又分为粘塑性部分和蠕变部分粘塑性应变率由累积塑性应变率及其流动方向nH组成，而蠕变部分由蠕变速率ec及其方向mH组成；<*>为Macauley括号；X为背应力张量，由三个分量构成；D为损伤变量，其演化率分为与累积塑性应变率相关的疲劳损伤部分，以及蠕变损伤部分，其中‖σ‖H为vonMises等效应力。3.权利要求1所述高铬钢材料热力学响应及疲劳-蠕变损伤的预测方法，其特征在于步骤二所述根据现有的简单加载实验数据，提出合理的材料参数确定方案，实现高温条件下高铬钢材料热力学响应的精确预测，参数确定方法如下：首先，根据高铬钢材料在单轴拉伸实验的应力-应变曲线的斜率，即线性变形阶段，确定材料的杨氏模量E；对于金属材料，泊松比取为v＝0.3；由此，弹性模量K和G的值根据下式确定蠕变实验数据显示，高铬钢材料的平均蠕变断裂时间和最小蠕变率在应力达到临界值时会发生突变，这个临界值被认为是高低应力区的分界值；初始屈服应力σy将直接选择分界应力值为其大小；为了确定与蠕变速率ec相关的材料参数Ac和nc，考虑高铬钢材料在单轴蠕变实验中所测量的不同应力条件下的最小蠕变速率值；如果忽略损伤变量的影响，最小蠕变速率可表示为根据实验数据，log(ec)和log(σ)呈线性关系，通过拟合从而确定参数Ac和nc；与背应力X相关的材料参数C1,C2,C3,γ1,γ2,γ3，在单轴情况下，对积分得利用单轴循环加载实验数据中第一个循环的滞回曲线，和(...

【专利技术属性】
技术研发人员：王炯，蔡晓丹，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44