确定固支直杆小试样弯曲蠕变小变形临界位移的方法技术

本发明专利技术涉及一种确定固支直杆弯曲小试样蠕变小变形临界位移的方法，(1)建立有限元模型，获得蠕变位移‑时间模拟曲线；(2)将试样小变形过程中位移和转角的变化量划分为弹性阶段变化量与稳态阶段变化量；(3)计算弹性阶段和稳态阶段的最大转角变化量；(4)确定理论蠕变时间参数值；(5)对试样蠕变进行有限元模拟，修正理论蠕变时间参数，得到时间修正系数；(6)对试样进行蠕变试验，获得蠕变位移‑时间试验曲线，计算出修正后的时间参数，修正后的时间参数对应的位移量即为试样小变形的临界位移。本发明专利技术可以准确确定试样蠕变的小变形临界位移，解决目前小变形临界位移确定不准的问题。

A Method for Determining the Critical Displacement of Small Bending Creep Deformation of Small Specimens of Fixed Straight Bars

The invention relates to a method for determining the critical displacement of creep small deformation of small specimens of fixed-supported straight bar bending, (1) establishing finite element model to obtain creep displacement time simulation curve; (2) dividing the variation of displacement and rotation angle during small deformation of specimens into elastic stage and steady stage; (3) calculating the maximum variation of rotation angle in elastic stage and steady stage; (4) determining the maximum variation of rotation angle in elastic stage and steady stage; (3) determining the maximum variation of creep displacement and rotation angle Theoretical creep time parameters; (5) Finite element simulation of specimen creep is carried out to modify theoretical creep time parameters and obtain time correction coefficient; (6) Creep test is carried out to obtain creep displacement-time test curve and calculate the corrected time parameters. The displacement corresponding to the corrected time parameters is the critical displacement of small deformation of the specimen. The invention can accurately determine the small deformation critical displacement of the specimen creep and solve the problem of inaccurate determination of the small deformation critical displacement at present.

【技术实现步骤摘要】
确定固支直杆小试样弯曲蠕变小变形临界位移的方法
本专利技术涉及材料蠕变，具体涉及一种确定固支直杆小试样弯曲蠕变小变形临界位移的方法。
技术介绍
蠕变，也称潜变，是固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。由于蠕变，材料在某瞬时的应力状态，一般不仅与该瞬时的变形有关，而且与该瞬时以前的变形过程有关。许多工程问题都涉及蠕变。蠕变常常随着温度升高而加剧。这种变形的速率与材料性质、加载时间、加载温度和加载结构应力都有关。在化工过程与发电行业，为了获得高的能源利用率，设备与构件的工作温度和工作压力不断提高，工作环境愈加严苛。对于高温设备，蠕变是其最主要的破坏形式。测量高温设备材料的蠕变性能，特别是在役设备材料的蠕变性能，对预测设备剩余寿命、做出安全评价具有重要的意义。蠕变试验，即测定金属材料在长时间的恒温和恒应力作用下，发生缓慢的塑性变形现象的一种材料机械性能试验。通常情况下，可通过传统单轴蠕变试验测试材料的蠕变性能，但标准试样体积较大，所需材料较多，限制了其在服役构件材料测试中的应用，这些促进了小试样蠕变方法的发展。固支直杆小试样蠕变试验，即采用固支直杆小试样来测试材料蠕变性能的试验方法，因其试样受力简单、试验设备简易、能够获得断裂数据等优点，具有比较大的研究价值。目前较为通用的固支直杆弯曲小试样蠕变本构是基于小变形假设建立的，蠕变小变形临界位移的确定，决定了该本构应用的可行性与准确性。现有固支直杆弯曲小试样小变形临界位移的判断准则只考虑了试样的下模间跨距的影响，但实际发现小变形的临界位移还与试验载荷、试样横截面尺寸以及材料属性等相关。因此，只考虑试样的下模间跨距影响来判断小变形临界位移的方法存在局限性，不能作为判断固支直杆弯曲小试样蠕变小变形的通用方法。为了保证基于小变形假设理论的蠕变本构准确应用，也便于固支直杆弯曲小试样蠕变试验方法在工程中的推广应用，需要科学并精确地确定固支直杆弯曲小试样蠕变小变形的临界位移。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种确定固支直杆弯曲小试样蠕变小变形临界位移的方法，本专利技术把位移-时间曲线划分为弹性阶段和稳态阶段，经过理论推导和有限元修正，可以准确确定小变形的临界位移，用以解决目前仅考虑试样的下模间跨距确定小变形临界位移，使得小变形临界位移确定不准的问题。为实现上述目的，专利技术一种确定固支直杆弯曲小试样蠕变小变形临界位移的方法，所述方法步骤如下：步骤(1)，建立固支直杆弯曲小试样的有限元模型，根据所述的有限元模型，分别获得在模拟试验条件下，固支直杆弯曲小试样的小变形和大变形蠕变位移-时间模拟曲线；步骤(2)，将固支直杆弯曲小试样蠕变小变形过程中位移和转角的变化量划分为弹性阶段变化量与稳态阶段变化量；步骤(3)，分别计算固支直杆弯曲小试样小变形过程中弹性阶段和稳态阶段的最大转角变化量；步骤(4)，根据误差函数，以及步骤(3)中得到的弹性阶段和稳态阶段的最大转角变化量，得到固支直杆弯曲小试样小变形稳态阶段的最大转角变化量对应的蠕变时间，并将该蠕变时间作为小变形临界位移对应的理论蠕变时间参数；步骤(5)，通过对固支直杆弯曲小试样蠕变进行有限元模拟分析，将步骤(1)得到的固支直杆弯曲小试样小变形和大变形的蠕变位移-时间模拟曲线进行对比，将两模拟曲线位移量偏差达到10％时所对应的蠕变时间作为模拟蠕变时间参数，并与理论蠕变时间参数对比，从而得到蠕变时间修正系数；步骤(6)，在实际设定的试验条件下，进行固支直杆弯曲小试样蠕变试验，获得固支直杆弯曲小试样的蠕变位移-时间试验曲线；步骤(7)，按照步骤(2)-(4)计算步骤(6)蠕变位移-时间试验曲线对应的蠕变时间参数；步骤(8)，根据步骤(5)所述的蠕变时间修正系数，得到修正后的蠕变时间参数，修正后的蠕变时间参数在所述蠕变位移-时间试验曲线上所对应的位移量即为固支直杆弯曲小试样的小变形临界位移。本专利技术把位移-时间曲线的小变形阶段划分为弹性阶段和稳态阶段，通过理论分析计算和有限元模拟得到时间修正系数，进而确定固支直杆小试样蠕变试验曲线的小变形临界位移点，结果更加真实准确可靠。进一步地，步骤(1)中，判定同等厚度的固支直杆弯曲小试样是否有计算过蠕变时间修正系数，若有，则无需再次计算蠕变时间修正系数，采用已有的蠕变时间修正系数，并直接进入步骤(6)；若没有，则进入步骤(2)进一步地，所述步骤(3)中，弹性阶段的最大转角变化量为：其中，θe为弹性阶段的最大转角变化量，P是试样中心处的载荷，l为试样的下模间跨距，E是材料弹性模量，I是试样截面惯性矩。进一步地，所述试样截面惯性矩为：其中，I是试样截面惯性矩，b是试样横截面宽度，2h为试样的原始厚度，n为材料的指数参数。进一步地，所述的步骤(3)中，稳态阶段的最大转角变化量为：其中，θc为小变形稳态阶段的最大转角变化量，为试样小变形稳态阶段的最大转角变化率，t为理论蠕变时间参数。进一步地，所述试样小变形稳态阶段的最大转角变化率为：其中，为试样小变形稳态阶段的最大转角变化率，n为材料的指数参数，l为试样的下模间跨距，为试样加载点的稳态蠕变位移速率。进一步地，试样加载点的稳态蠕变位移速率的计算方法为：对蠕变位移-时间曲线进行微分处理，获得蠕变位移速率-时间曲线，并根据蠕变位移速率-时间曲线确定稳态蠕变位移速率。进一步地，步骤(4)中，所述的误差函数为：其中，Φ为误差函数，x为试样轴线方向的长度变量，w为试样中心蠕变位移，θ为试样的截面转角。进一步地，步骤(4)中，所述的理论蠕变时间参数计算方法为：其中，θmax为误差函数达到0.1时的临界转角，θe为弹性阶段的最大转角变化量，为试样小变形稳态阶段的最大转角变化率，t为理论蠕变时间参数。进一步地，步骤(5)中，所述的蠕变时间修正系数为：其中，α为蠕变时间修正系数，t0为修正后的模拟蠕变时间参数，t为理论蠕变时间参数。本专利技术达到的有益效果：(1)本专利技术把位移-时间曲线划分为弹性阶段和稳态阶段，与试验结果相近，与真实的固支直杆弯曲小试样蠕变变形行为更接近，结果更加准确可靠。(2)本专利技术综合考虑了试验载荷、试样横截面尺寸以及材料属性等因素对固支直杆弯曲小试样蠕变小变形临界位移的影响，与现有的方法相比，考虑更全面，更准确，也更具普遍性。附图说明图1为固支直杆小试样小变形临界位移确定方法的流程图。图2为固支直杆小试样蠕变试验的安装示意图。图3为固支直杆小试样蠕变试验装置。图4为基于小变形假设的梁弯曲理论力学模型。图5为固支直杆小试样蠕变有限元模型。图6为560℃、62N下P91分别在小变形和大变形下的蠕变位移-时间模拟曲线。图7为560℃、66N下P91固支直杆弯曲小试样蠕变位移-时间试验曲线。图8为数值模拟定义小变形临界位移。图中，1为夹具上模，2为夹具下模，3为压头，4为固支直杆小试样。具体实施方式下面结合附图和具体的实施例对本专利技术作进一步详细的说明。如图1，本专利技术的方法如下：(1)首先需要确定是否有同样厚度的固支直杆弯曲小试样计算过蠕变时间修正系数α，该蠕变时间修正系数被证明与固支直杆弯曲小试样的厚度唯一相关，因此，当且仅当固支直杆弯曲小试样的厚度变化时，才需要重新计算时间修正系数α。若同样厚度的固支直杆弯曲小试样已经计算过蠕变时间修正系数α，则本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种确定固支直杆弯曲小试样蠕变小变形临界位移的方法，其特征在于：所述方法步骤如下：步骤(1)，建立固支直杆弯曲小试样的有限元模型，根据所述的有限元模型，分别获得在模拟试验条件下，固支直杆弯曲小试样的小变形和大变形蠕变位移‑时间模拟曲线；步骤(2)，将固支直杆弯曲小试样蠕变小变形过程中位移和转角的变化量划分为弹性阶段变化量与稳态阶段变化量；步骤(3)，分别计算固支直杆弯曲小试样小变形过程中弹性阶段和稳态阶段的最大转角变化量；步骤(4)，根据误差函数，以及步骤(3)中得到的弹性阶段和稳态阶段的最大转角变化量，得到固支直杆弯曲小试样小变形稳态阶段的最大转角变化量对应的蠕变时间，并将该蠕变时间作为小变形临界位移对应的理论蠕变时间参数；步骤(5)，通过对固支直杆弯曲小试样蠕变进行有限元模拟分析，将步骤(1)得到的固支直杆弯曲小试样小变形和大变形的蠕变位移‑时间模拟曲线进行对比，将两模拟曲线位移量偏差达到10％时所对应的蠕变时间作为模拟蠕变时间参数，并与理论蠕变时间参数对比，从而得到蠕变时间修正系数；步骤(6)，在实际设定的试验条件下，进行固支直杆弯曲小试样蠕变试验，获得固支直杆弯曲小试样的蠕变位移‑时间试验曲线；步骤(7)，按照步骤(2)‑(4)计算步骤(6)蠕变位移‑时间试验曲线对应的蠕变时间参数；步骤(8)，根据步骤(5)所述的蠕变时间修正系数，得到修正后的蠕变时间参数，修正后的蠕变时间参数在所述蠕变位移‑时间试验曲线上所对应的位移量即为固支直杆弯曲小试样的小变形临界位移。...

【技术特征摘要】
1.一种确定固支直杆弯曲小试样蠕变小变形临界位移的方法，其特征在于：所述方法步骤如下：步骤(1)，建立固支直杆弯曲小试样的有限元模型，根据所述的有限元模型，分别获得在模拟试验条件下，固支直杆弯曲小试样的小变形和大变形蠕变位移-时间模拟曲线；步骤(2)，将固支直杆弯曲小试样蠕变小变形过程中位移和转角的变化量划分为弹性阶段变化量与稳态阶段变化量；步骤(3)，分别计算固支直杆弯曲小试样小变形过程中弹性阶段和稳态阶段的最大转角变化量；步骤(4)，根据误差函数，以及步骤(3)中得到的弹性阶段和稳态阶段的最大转角变化量，得到固支直杆弯曲小试样小变形稳态阶段的最大转角变化量对应的蠕变时间，并将该蠕变时间作为小变形临界位移对应的理论蠕变时间参数；步骤(5)，通过对固支直杆弯曲小试样蠕变进行有限元模拟分析，将步骤(1)得到的固支直杆弯曲小试样小变形和大变形的蠕变位移-时间模拟曲线进行对比，将两模拟曲线位移量偏差达到10％时所对应的蠕变时间作为模拟蠕变时间参数，并与理论蠕变时间参数对比，从而得到蠕变时间修正系数；步骤(6)，在实际设定的试验条件下，进行固支直杆弯曲小试样蠕变试验，获得固支直杆弯曲小试样的蠕变位移-时间试验曲线；步骤(7)，按照步骤(2)-(4)计算步骤(6)蠕变位移-时间试验曲线对应的蠕变时间参数；步骤(8)，根据步骤(5)所述的蠕变时间修正系数，得到修正后的蠕变时间参数，修正后的蠕变时间参数在所述蠕变位移-时间试验曲线上所对应的位移量即为固支直杆弯曲小试样的小变形临界位移。2.根据权利要求1所述的确定固支直杆弯曲小试样蠕变小变形临界位移的方法，其特征在于：步骤(1)中，判定同等厚度的固支直杆弯曲小试样是否有计算过蠕变时间修正系数，若有，则无需再次计算蠕变时间修正系数，采用已有的蠕变时间修正系数，并直接进入步骤(6)；若没有，则进入步骤(2)。3.根据权利要求1所述的确定固支直杆弯曲小试样蠕变小变形临界位移的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，弹性阶段的最大转角变化量为：其中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：周帼彦，王俊崎，余海洋，涂善东，谈建平，王琼琦，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：上海,31