塑性瞬态蠕变条件下考虑与载荷无关的拘束参量的蠕变孕育期预测方法技术

本发明专利技术公开了一种塑性瞬态蠕变条件下考虑与载荷无关的拘束参量的蠕变孕育期预测方法，在Davies工作的基础上，提出了考虑拘束效应的蠕变孕育期预测模型。利用韧性耗散损伤模型，引入了与载荷无关拘束参量Q*计算考虑拘束效应的蠕变孕育期。使用紧凑拉伸试样(CT)施加主载荷进行蠕变模拟实验，本发明专利技术的有益效果：能够在结构中简洁有效的预测出塑性瞬态蠕变条件下蠕变孕育期。

【技术实现步骤摘要】
塑性瞬态蠕变条件下考虑与载荷无关的拘束参量的蠕变孕育期预测方法
本专利技术涉及考虑与载荷无关的拘束参量的高温结构在塑性瞬态蠕变条件下的蠕变孕育期工程临界评价，就是确定当结构中存在表面裂纹且处在塑性瞬态蠕变应力条件下时，评价此高温结构的蠕变裂纹萌生寿命。
技术介绍
燃煤为主的能源结构是我国雾霾天气的主要成因之一，而燃煤发电是我国目前最主要的发电方式，该趋势将长期存在。因此，除了改变能源结构，发展高效洁净的超超临界(USC)机组是节能减排的重要途径之一。然而，蒸汽温度和压力等参数的提高导致机组关键高温管道的服役环境非常恶劣，特别是管道中存在裂纹、未焊透、焊接气孔和夹渣等各种缺陷，严重威胁机组的安全运行，需要对其进行科学精确的寿命评估。几十年来，对于高温下含裂纹构件，国外发展了多种高温蠕变寿命的评定规范和方法。蠕变孕育期是蠕变过程中经历时间最长的阶段，孕育期的准确预测对于高温结构的蠕变寿命预测具有重要意义；Davies等人基于韧性耗散模型提出的孕育期预测模型，考虑了蠕变过程应力变化的完整性，但是结构的拘束效应对孕育期的影响并未得到研究；近些年来科研人员对于拘束效应对蠕变裂纹扩展的影响进行了大量的研究。拘束效应广泛的存在于加工制造的高温部件中，并且对部件的服役寿命造成了重大影响。大量针对于高温蠕变情况下拘束效应的研究也广泛展开。因此建立考虑拘束效应的蠕变孕育期预测模型，可以更加准确完整地评估复合加载结构的蠕变孕育期。
技术实现思路
本专利技术在Davies工作的基础上，提出了考虑拘束效应的蠕变孕育期预测模型。利用韧性耗散损伤模型，引入了与载荷无关的拘束参量Q*计算考虑拘束效应的蠕变孕育期。使用紧凑拉伸试样(CT)施加主载荷进行蠕变模拟实验。为实现本专利技术的目的所采用的技术方案是：本专利技术的塑性瞬态蠕变条件下含拘束效应高温结构的蠕变孕育期预测方法，包括以下步骤：S1：建立塑性瞬态蠕变条件下含拘束效应高温结构的蠕变孕育期预测模型，包括CT试样本体，所述CT试样本体的中部前端设有槽，槽的后部设有缺口，缺口的后部设有预制裂纹，槽、缺口、预制裂纹在同一平面上，CT试样本体上还设有上主载荷销孔、下主载荷销孔，上主载荷销孔、下主载荷销孔上下对称设置，分别设置在槽的上下两端；S2：首先在缺口处插入预制裂纹，以进行蠕变试验；S3：利用销子在上主载荷销孔、下主载荷销孔施加主载荷，进行高温蠕变试验；S4：通过蠕变有限元模拟可以获得计算含拘束效应CT试样孕育期所需要的必要参数,在塑性条件下，计算孕育期主要包括以下步骤：(2)首先计算瞬态蠕变条件下的拘束参量Q*RR，其计算公式为：(Ⅰ)中:是利用有限元计算得出的裂纹前沿处的张开应力值，单位是Mpa，σ0是材料的屈服强度，单位是MPa,参见文献：(ZhaoL,XuL,HanY,JingH.Two-parametercharacterizationofconstrainteffectinducedbyspecimensizeoncreepcrackgrowth.EngngFractMech2012；96:251–66.)，C*积分是利用有限元计算得出的高温断裂参量，单位为MPa·mm·(h)-1，L是标量距离，取1mm，In是与n有关的无量纲函数，具体值可以查阅文献得到：(Shih,C.F..1983.TablesofHutchinson-Rice-RosengrenSingularFieldQuantities.BrownUniversityTechnicalReport,MRLE-147.)，n是无量纲的蠕变应力硬化指数，是蠕变应变变化率，单位为h-1，与材料高温蠕变属性有关，n和参见文献：(ZhaoL,JingH,XuL,HanY,XiuJ.Evaluationofconstrainteffectsoncreepcrackgrowthbyexperimentalinvestigationandnumericalsimulation.EngngFractMech2012；96:251–66.)；(Ⅰ)中：σ22是利用HRR应力场计算得出的裂纹前沿的张开应力值，单位是MPa，其中：r是裂纹后部尖端到裂纹前沿研究点的间距，单位是mm，θ是裂纹尖端角度，是与θ和n有关的无量纲函数，具体值可以查阅文献得到：Shih,C.F..1983.TablesofHutchinson-Rice-RosengrenSingularFieldQuantities.BrownUniversityTechnicalReport,MRLE-147.C(t)积分是随时间变化的高温断裂参量，单位为MPa·mm·(h)-1，计算公式：其中：t是时间,单位是h,C*积分是利用有限元计算得出的高温断裂参量，单位为MPa·mm·(h)-1。E′是有效弹性模量：E'＝E/(1-ν2)。E是弹性模量,ν是泊松比，二者均参见文献：(ZhaoL,JingH,XuL,HanY,XiuJ.Evaluationofconstrainteffectsoncreepcrackgrowthbyexperimentalinvestigationandnumericalsimulation.EngngFractMech2012；96:251–66.)；K是应力强度因子，单位为MPa·(m)0.5，计算公式：其中：P是主载荷，单位为N；B是试样厚度，单位为mm；a/W是预制裂纹长度比率,a是预制裂纹长度，采用上主载荷销孔圆心到预制裂纹后端的水平直线距离，单位为mm；W是名义试样宽度，采用上主载荷销孔圆心到CT试样本体后端的水平直线距离，单位为mm；f(a/W)是CT试样几何系数，只与a/W有关。(2)计算瞬态蠕变等效应力其计算公式为：其中：是与θ和n有关的无量纲函数，具体值可以查阅文献得到：Shih,C.F..1983.TablesofHutchinson-Rice-RosengrenSingularFieldQuantities.BrownUniversityTechnicalReport,MRLE-147.计算塑性等效应力其计算公式为：其中：J积分是利用有限元计算得出的断裂参量，单位为MPa·m，σP0是标准化应力，单位为MPa，εP0是标准化应变，单位为1，α为应变硬化系数，N为应变硬化指数，σP0，εP0，α和N参见文献：(ZhaoL,XuL,HanY,JingH.Two-parametercharacterizationofconstrainteffectinducedbyspecimensizeoncreepcrackgrowth.EngngFractMech2012；96:251–66.)，IN是与N有关的无量纲函数,是与裂纹尖端角度θ和应变硬化指数N有关的无量纲函数，IN和可查表获得Shih,C.F..1983.TablesofHutchinson-Rice-RosengrenSingularFieldQuantities.BrownUniversityTechnicalReport,MRLE-147.(3)利用MATALAB软件计算转换时间tHRR-RR：在此时刻满足：塑性阶段损伤累计值：MSFHRR为塑性条件下多轴应力因子，根据Co本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.塑性瞬态蠕变条件下含拘束效应高温结构的蠕变孕育期预测方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：建立塑性瞬态蠕变条件下含拘束效应高温结构的蠕变孕育期预测模型，包括CT试样本体，所述CT试样本体的中部前端设有槽，槽的后部设有缺口，缺口的后部设有预制裂纹，槽、缺口、预制裂纹在同一平面上，CT试样本体上还设有上主载荷销孔、下主载荷销孔，上主载荷销孔、下主载荷销孔上下对称设置，分别设置在槽的上下两端；S2：首先在缺口处插入预制裂纹，以进行蠕变试验；S3：利用销子在上主载荷销孔、下主载荷销孔施加主载荷，进行高温蠕变试验；S4：通过蠕变有限元模拟可以获得计算含拘束效应CT试样孕育期所需要的必要参数,在塑性条件下，计算孕育期主要包括以下步骤：(1)首先计算瞬态蠕变条件下的拘束参量Q*RR，其计算公式为：

【技术特征摘要】
1.塑性瞬态蠕变条件下含拘束效应高温结构的蠕变孕育期预测方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：建立塑性瞬态蠕变条件下含拘束效应高温结构的蠕变孕育期预测模型，包括CT试样本体，所述CT试样本体的中部前端设有槽，槽的后部设有缺口，缺口的后部设有预制裂纹，槽、缺口、预制裂纹在同一平面上，CT试样本体上还设有上主载荷销孔、下主载荷销孔，上主载荷销孔、下主载荷销孔上下对称设置，分别设置在槽的上下两端；S2：首先在缺口处插入预制裂纹，以进行蠕变试验；S3：利用销子在上主载荷销孔、下主载荷销孔施加主载荷，进行高温蠕变试验；S4：通过蠕变有限元模拟可以获得计算含拘束效应CT试样孕育期所需要的必要参数,在塑性条件下，计算孕育期主要包括以下步骤：(1)首先计算瞬态蠕变条件下的拘束参量Q*RR，其计算公式为：(Ⅰ)中:是利用有限元计算得出的裂纹前沿处的张开应力值，单位是Mpa，σ0是材料的屈服强度，单位是MPa,C*积分是利用有限元计算得出的高温断裂参量，单位为MPa·mm·(h)-1，L是标量距离，取1mm，In是与n有关的无量纲函数，n是无量纲的蠕变应力硬化指数，是蠕变应变变化率，单位为h-1，与材料高温蠕变属性有关；(Ⅰ)中：σ22是利用HRR应力场计算得出的裂纹前沿的张开应力值，单位是MPa，其中：r是裂纹后部尖端到裂纹前沿研究点的间距，单位是mm，θ是裂纹尖端角度，是与θ和n有关的无量纲函数；C(t)积分是随时间变化的高温断裂参量，单位为MPa·mm·(h)-1，计算公式：其中：t是时间,单位是h,C*积分是利用有限元计算得出的高温断裂参量，单位为MPa·mm·(h)-1，E′是有效弹性模量：E'＝E/(1-ν2)，E是弹性模量,ν是泊松比；K是应力强度因子，单位为MPa·(m)0.5，计算公式：其中：P是主载荷，单位为N；B是试样厚度，单位为mm；a/W是预制裂纹长度比率,a是预制裂纹长度，采用上主载荷销孔圆心到预制裂纹后端的水平直线距离，单位为mm；W是名义试样宽度，采用上主载荷销孔圆心到CT试样本体后端的水平直线距离，单位为mm；f(...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐连勇，邬栋权，荆洪阳，韩永典，赵雷，吕小青，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12