一种描述高温材料蠕变变形三阶段的方法及模型技术

本发明专利技术公开了一种描述高温材料蠕变变形三阶段的方法及模型，该方法的步骤为：(1)通过试验获得材料的工程蠕变变形‑时间曲线，并将其转换为真实蠕变应变‑时间曲线；(2)将真实蠕变应变‑时间曲线进行归一化；(3)将蠕变模型中的参数k、η、α表示为应力和温度的函数；(4)利用试验数据拟合蠕变模型参数；(5)将蠕变模型嵌入有限元软件，实现对实际结构的蠕变分析。本发明专利技术通过参数k、η、α能够很好的描述蠕变的第一阶段和第二阶段材料内部位错的运动变化导致的蠕变速率逐渐减小和趋于稳定的现象，此外通过断裂寿命归一化后的时间项，能够反应蠕变空洞、裂纹等微观损伤从而表征蠕变第三阶段蠕变速率迅速增大的现象。

【技术实现步骤摘要】
一种描述高温材料蠕变变形三阶段的方法及模型
本专利技术涉及一种能够完整描述高温材料蠕变变形三阶段的方法及模型，属于高温结构强度

技术介绍
蠕变通常是指在温度、载荷/应力不变的条件下，变形随时间的增加而增大的现象。其主要特点在于当结构的温度达到一定时，即使其内部的应力远小于材料的屈服强度仍然能产生明显的蠕变。航空发动机热端部件特别是转动件承受着高温和大应力，在使用中会发生明显的蠕变现象。目前常用的蠕变模型有时间硬化模型和应变硬化模型等，但这类模型只能描述蠕变第一阶段或者前两个阶段。然而，在实际的蠕变问题中第三阶段的蠕变变形占据了整个寿命期内蠕变变形的70％以上，在应力水平较小时甚至占到总变形的80％以上，且第三阶段寿命占到总寿命的50％左右，因此，对蠕变第三阶段的变形描述是分析高温结构/材料失效过程、预测构件变形或寿命的基础。1985年Evans和Wilshire在其著作中提出一种能描述完整的蠕变变形的模型——θ映射法，虽然θ映射法可以模拟蠕变变形的3个阶段，但其模型中的参数并不具有很好的物理基础，此外，在2015年由王延荣等人提出的归一化参数蠕变模型与θ映射法类似，均能描述蠕变三个阶段，但是蠕变参数缺少物理意义。而对基于纯蠕变物理过程建立的模型而言，确定参数的方法太过繁琐，且计算过程相当复杂，不利于工程应用。因此，有必要发展一种既能反应蠕变物理过程又能够更加便于应用的蠕变模型。
技术实现思路
为发展一种既能更好反应蠕变物理过程又能便于工程应用的蠕变模型，解决目前商用有限元软件中自带模型不能描述蠕变三阶段的问题，使得模型既能描述蠕变变形整体过程又能反应蠕变的微观物理过程，本专利技术的目的是提供一种描述高温材料蠕变变形三阶段的方法及模型。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种描述高温材料蠕变变形三阶段的方法，包括以下步骤：(1)通过试验获得材料的工程蠕变变形-时间曲线，并将其转换为真实蠕变应变-时间曲线；(2)将步骤(1)得到的真实蠕变应变-时间曲线进行归一化；(3)将蠕变模型中的参数k、η、α表示为应力和温度的函数；其中，上式中：εc为蠕变应变，σ为应力，t、tf分别为蠕变时间和材料在指定温度、应力下的断裂寿命；(4)利用试验数据拟合蠕变模型参数；(5)将蠕变模型嵌入有限元软件，实现对实际结构的蠕变分析。所述步骤(1)中，利用体积不变假设，将试验获得的工程应力和工程蠕变应变转换为真实应力和真实蠕变应变，并与试验时间一起构成蠕变模型参数拟合的初始数据；真实应力和真实蠕变应变转换公式为：式中：σT、σE分别为真实蠕变应变、真实应力、工程蠕变应变以及工程应力，εe,εp分别为工程弹性应变和工程塑性应变。所述步骤(2)中，分别运用各自试验载荷、温度下的断裂寿命将蠕变试验时间除以断裂寿命，获得归一化时间、真实应力以及真实蠕变应变三列数据，作为模型参数拟合的输入数据。所述步骤(3)中，参数k、η、α的温度和应力函数表达式为：k＝c1+c2σ+c3T+c4σT，式中σ为施加应力，T为试验温度，c1-c4为试验拟合常数；η＝c5+c6σ+c7T+c8σT，式中σ为施加应力，T为试验温度，c5-c8为试验拟合常数；α＝c9+c10σ+c11T+c12σT，式中σ为施加应力，T为试验温度，c9-c12为试验拟合常数；当各试验条件下的温度相同时上述表达式简化为k＝c1+c2σ、η＝c3+c4σ、α＝c5+c6σ。所述步骤(4)中，利用1stOpt软件中的参数拟合功能，采用麦夸特法和通用全局优化法，拟合得到参数ci的值，下标i为1至12，当各试验温度相同时得到简化后的参数ci的值，下标i为1至6。所述步骤(5)中，编写有限元蠕变子程序usercreep时需要提供蠕变应变增量delcr、蠕变应变增量对等效应力的导数dcrda(1)和蠕变应变增量对蠕变应变的导数dcrda(2)；若各试验温度相同，则其表达式分别为：delcr＝((σ·exp(-k/η·t/tf)·(((t/tf)^(α-1)·α)/tf+((t/tf)^(1/α)·(1/α+1))/tf+(exp((t·(α+k/η))/tf)·(α+k/η))/tf))/(k+η·α)-(σ·exp(-k/η·t/tf)·k·(exp((α+k/η)·t/tf)+(t/tf)^(1/α+1)+(t/tf)^α-1))/(tf·η·(k+η·α)))·Δt，dcrda(1)＝((exp(-k/η·t/tf)·(((t/tf)^(α-1)·α)/tf+((t/tf)^(1/α)·(1/α+1))/tf+(exp((t·(α+k/η))/tf)·(α+k/η))/tf))/(k+η·α)+(σ·exp(-k/η·t/tf)·((c6·(t/tf)^(α-1))/tf+(exp((t·(α+k/η))/tf)·(c6+c2/η-(c4·k)/(η)^2))/tf-(c6·(t/tf)^(1/α))/(tf·(α)^2)+(c6·log(t/tf)·(t/tf)^(α-1)·α)/tf+(t·exp((t·(α+k/η))/tf)·(α+k/η)·(c6+c2/η-(c4·k)/(η)^2))/tf^2-(c6·log(t/tf)·(t/tf)^(1/α)·(1/α+1))/(tf·(α)^2)))/(k+η·α)-(σ·exp(-(t·k)/(tf·η))·((c2·t)/(tf·η)-(c4·t·k)/(tf·(η)^2))·(((t/tf)^(α-1)·α)/tf+((t/tf)^(1/α)·(1/α+1))/tf+(exp((t·(α+k/η))/tf)·(α+k/η))/tf))/(k+η·α)-(σ·exp(-(t·k)/(tf·η))·(c2+c6·η+c4·α)·(((t/tf)^(α-1)·α)/tf+((t/tf)^(1/α)·(1/α+1))/tf+(exp((t·(α+k/η))/tf)·(α+k/η))/tf))/(k+η·α)^2-(exp(-(t·k)/(tf·η))·k·(exp((t·(α+k/η))/tf)+(t/tf)^(1/α+1)+(t/tf)^α-1))/(tf·η·(k+η·α))-(c2·σ·exp(-(t·k)/(tf·η))·(exp((t·(α+k/η))/tf)+(t/tf)^(1/α+1)+(t/tf)^α-1))/(tf·η·(k+η·α))-(σ·exp(-(t·k)/(tf·η))·k·(c6·log(t/tf)·(t/tf)^α+(t·exp((t·(α+k/η))/tf)·(c6+c2/η-(c4·k)/(η)^2))/tf-(c6·log(t/tf)·(t/tf)^(1/α+1))/(α)^2))/(tf·η·(k+η·α))+(σ·exp(-k/η·t/tf)·k·(c2+c6·η+c4·α)·(exp((t·(α+k/η))/tf)+(t/tf)^(1/α+1)+(t/tf)^α-1))/(tf·η·(k+η·α)^2)+(c4·σ·exp(-k/η·t/tf)·a1·(exp((t·(α+k/η))/tf)+(t/tf)^(1/α+1)+(t/tf)^α-1))/(tf·(η)^2·(k+η·α本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种描述高温材料蠕变变形三阶段的方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)通过试验获得材料的工程蠕变变形‑时间曲线，并将其转换为真实蠕变应变‑时间曲线；(2)将步骤(1)得到的真实蠕变应变‑时间曲线进行归一化；(3)将蠕变模型

【技术特征摘要】
1.一种描述高温材料蠕变变形三阶段的方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)通过试验获得材料的工程蠕变变形-时间曲线，并将其转换为真实蠕变应变-时间曲线；(2)将步骤(1)得到的真实蠕变应变-时间曲线进行归一化；(3)将蠕变模型中的参数k、η、α表示为应力和温度的函数；其中，上式中：εc为蠕变应变，σ为应力，t、tf分别为蠕变时间和材料在指定温度、应力下的断裂寿命；(4)利用试验数据拟合蠕变模型参数；(5)将蠕变模型嵌入有限元软件，实现对实际结构的蠕变分析。2.根据权利要求1所述的描述高温材料蠕变变形三阶段的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，利用体积不变假设，将试验获得的工程应力和工程蠕变应变转换为真实应力和真实蠕变应变，并与试验时间一起构成蠕变模型参数拟合的初始数据；真实应力和真实蠕变应变转换公式为：式中：σT、σE分别为真实蠕变应变、真实应力、工程蠕变应变以及工程应力，εe,εp分别为工程弹性应变和工程塑性应变。3.根据权利要求1所述的描述高温材料蠕变变形三阶段的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，分别运用各自试验载荷、温度下的断裂寿命将蠕变试验时间除以断裂寿命，获得归一化时间、真实应力以及真实蠕变应变三列数据，作为模型参数拟合的输入数据。4.根据权利要求1所述的描述高温材料蠕变变形三阶段的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，参数k、η、α的温度和应力函数表达式为：k＝c1+c2σ+c3T+c4σT，式中σ为施加应力，T为试验温度，c1-c4为试验拟合常数；η＝c5+c6σ+c7T+c8σT，式中σ为施加应力，T为试验温度，c5-c8为试验拟合常数；α＝c9+c10σ+c11T+c12σT，式中σ为施加应力，T为试验温度，c9-c12为试验拟合常数；当各试验条件下的温度相同时上述表达式简化为k＝c1+c2σ、η＝c3+c4σ、α＝c5+c6σ。5.根据权利要求1所述的描述高温材料蠕变变形三阶段的方法，其特征在于：所述步骤(4)中，利用1stOpt软件中的参数拟合功能，采用麦夸特法和通用全局优化法，拟合得到参数ci的值，下标i为1至12，当各试验温度相同时得到简化后的参数ci的值，下标i为1至6。6.根据权利要求1所述的描述高温材料蠕变变形三阶段的方法，其特征在于：所述步骤(5)中，编写有限元蠕变子程序usercreep时需要提供蠕变应变增量delcr、蠕变应变增量对等效应力的导数dcrda(1)和蠕变应变增量对蠕变应变的导数dcrda(2)；若各试验温度相同，则其表达式分别为：delcr＝((σ·exp(-k/η·t/tf)·(((t/tf)^(α-1)·α)/tf+((t/tf)^(1/α)·(1/α+1))/tf+(exp((t·(α+k/η))/tf)·(α+k/η))/tf))/(k+η·α)-(σ·exp(-k/η·t/tf)·k·(exp((α+k/η)·t/tf)+(t/tf)^(1/α+1)+(t/tf)^α-1))/(tf·η·(k+η·α)))·Δt，dcrda(1)＝((exp(-k/η·t/tf)·(((t/tf)^(α-1)·α)/tf+((t/tf)^(1/α)·(1/α+1))/tf+(exp((t·(α+k/η))/tf)·(α+k/η))/tf))/(k+η·α)+(σ·exp(-k/η·t/tf)·((c6·(t/tf)^(α-1))/tf+(exp((t·(α+k/η))/tf)·(c6+c2/η-(c4·k)/(η)^2))/tf-(c6·(t/tf)^(1/α))/(tf·(α)^2)+(c6·log(t/tf)·(t/tf)^(α-1)·α)/tf+(t·exp((t·(α+k/η))/tf)·(α+k/η)·(c6+c2/η-(c4·k)/(η)^2))/tf^2-(c6·log(t/tf)·(t/tf)^(1/α)·(1/α+1))/(tf·(α)^...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡绪腾，叶文明，宋迎东，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32