塑性瞬态蠕变条件下耦合残余应力和拘束效应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耦合残余应力和拘束效应的蠕变孕育期预测方法，在Davies工作的基础上，提出了耦合残余应力和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耦合残余应力和拘束效应的蠕变孕育期预测方法
本专利技术涉及耦合残余应力和拘束效应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，但是结构的残余应力以及拘束效应对孕育期的影响并未得到研究；残余应力、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残余应力和拘束效应的研究也广泛展开。因此建立耦合残余应力和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
本专利技术的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种专利技术名称。为实现本专利技术的目的所采用的技术方案是：本专利技术在Davies工作的基础上，提出了耦合残余应力和拘束效应的蠕变孕育期预测模型。利用参考应立法，引入了弹性追随因子Z计算考虑残余应力的蠕变孕育期。使用紧凑拉伸试样(CT)通过预压缩产生残余应力，并施加主载荷进行蠕变实验。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耦合残余应力和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：建立模型，包括CT试样本体，CT试样本体的中部前端设有槽，槽的后部设有缺口，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：首先利用上圆销、下圆销对CT试样本体进行预定大小的压缩加载，然后释放上圆销、下圆销，会在CT试样本体的缺口附近产生残余应力分布；S3：在含有残余应力的缺口处插入预制裂纹，以进行蠕变试验；S4：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；S5：通过蠕变有限元模拟可以获得计算含残余应力CT试样孕育期所需要的必要参数，在塑性瞬态蠕变条件下，如图4所示，研究点的初始应力是塑性应力状态，到达转换时间tHRR-RR后进入到瞬态蠕变应力状态，计算孕育期主要包括以下步骤：(1)首先计算复合加载下的应力强度因子，其计算公式为：(Ⅰ)中：其中：是模拟计算的只含有残余应力下的应力强度因子，单位为MPa·(m1/2)；是主载荷应力强度因子，单位为MPa·(m1/2)；P是主载荷，单位为N；B是试样厚度，单位为mm，Bn是试样净厚度，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；V是无量纲的塑性相关项，计算如下：(Ⅱ)中：V0是无量纲参量，是塑性残余应力强度因子，单位为MPa·(m1/2)；是弹性残余应力强度因子，单位为MPa·(m1/2)，利用JS计算，JS是残余应力场下断裂参量，单位为MPa·m：其中：E′是有效弹性模量：E'＝E/(1-ν2)，E是弹性模量，ν是泊松比，E和ν二者均参见文献：(ZhaoL,JingH,XuL,HanY,XiuJ.Evaluationofconstrainteffectsoncreepcrackgrowthbyexperimentalinvestigationandnumericalsimulation.EngngFractMech2012；96:251–66.)，和JS都利用有限元模拟结果提取；(Ⅱ)中:Lr是无量纲参量，描述主载荷幅度：其中：σy是屈服强度，单位为MPa，参见文献：(ZhaoL,JingH,XuL,HanY,XiuJ.Evaluationofconstrainteffectsoncreepcrackgrowthbyexperimentalinvestigationandnumericalsimulation.EngngFractMech2012；96:251–66.)；是主载荷参考应力，单位为MPa，用下式计算：其中：nL为无量纲裂纹深宽比参数，通过下式计算:常数(Ⅱ)中:其中：是弹性主载荷应力强度因子，单位为MPa·(m1/2)，是塑性主载荷应力强度因子，单位为MPa·(m1/2)；利用有限元模拟结果计算：(Ⅱ)中:β描述残余应力的幅度，是无量纲参量；是二次载荷参考应力，单位为MPa，利用有限元模拟计算；(Ⅱ)中:Z为无量纲的弹性追随因子，从有限元模拟结果中提取出应力应变关系，取等效蠕变应变增量与等效弹性应变增量的比值：(2)计算稳态蠕变复合应力场下C*积分数值，其计算公式为：其中:A是蠕变硬化系数，单位为MPa-n·h-1，A参见文献：(ZhaoL,JingH,XuL,HanY,XiuJ.Evaluationofconstrainteffectsoncreepcrackgrowthbyexperimentalinvestigationandnumericalsimulation.EngngFractMech2012；96:251–66.)，KI是复合应力强度因子，单位为MPa·(m1/2)，是初始参考应力，单位为MPa；(3)然后计算裂尖参量C(t)，它是反映瞬态蠕变过程的载荷环路积分值，单位为MPa·mm·(h-1)，利用参考应力法计算：(Ⅴ)中：σref是总参考应力，单位为MPa，利用以下积分式计算：其中：是总参考应变速率，单位为h-1，是主载荷参考应变速率，单位为h-1，(Ⅴ)中：εref是总参考应变，利用下式计算：εref＝ε0ref+A∫σnrefdt其中：ε0ref是初始参考应变，ε0ref通过有限元模拟提取。(4)计算瞬态蠕变条件下的拘束参量Q*RR，其计算公式为：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.)，L是标量距离，取1mm；(Ⅵ)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，是蠕变应变变化率，单位为h-1，与材料高温蠕变属性有关，n为无量纲的蠕变应力硬本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.塑性瞬态蠕变条件下耦合残余应力和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：建立模型，包括CT试样本体，CT试样本体的中部前端设有槽，槽的后部设有缺口，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：首先利用上圆销、下圆销对CT试样本体进行预定大小的压缩加载，然后释放上圆销、下圆销，会在CT试样本体的缺口附近产生残余应力分布；S3：在含有残余应力的缺口处插入预制裂纹，以进行蠕变试验；S4：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；S5：通过蠕变有限元模拟可以获得计算含残余应力CT试样孕育期所需要的必要参数，在塑性瞬态蠕变条件下，如图4所示，研究点的初始应力是塑性应力状态，到达转换时间tHRR‑RR后进入到瞬态蠕变应力状态，计算孕育期主要包括以下步骤：(1)首先计算复合加载下的应力强度因子，其计算公式为：

【技术特征摘要】
1.塑性瞬态蠕变条件下耦合残余应力和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：建立模型，包括CT试样本体，CT试样本体的中部前端设有槽，槽的后部设有缺口，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：首先利用上圆销、下圆销对CT试样本体进行预定大小的压缩加载，然后释放上圆销、下圆销，会在CT试样本体的缺口附近产生残余应力分布；S3：在含有残余应力的缺口处插入预制裂纹，以进行蠕变试验；S4：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；S5：通过蠕变有限元模拟可以获得计算含残余应力CT试样孕育期所需要的必要参数，在塑性瞬态蠕变条件下，如图4所示，研究点的初始应力是塑性应力状态，到达转换时间tHRR-RR后进入到瞬态蠕变应力状态，计算孕育期主要包括以下步骤：(1)首先计算复合加载下的应力强度因子，其计算公式为：(Ⅰ)中：其中：是模拟计算的只含有残余应力下的应力强度因子，单位为MPa·(m1/2)；是主载荷应力强度因子，单位为MPa·(m1/2)；P是主载荷，单位为N；B是试样厚度，单位为mm，Bn是试样净厚度，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；V是无量纲的塑性相关项，计算如下：(Ⅱ)中:V0是无量纲参量，是塑性残余应力强度因子，单位为MPa·(m1/2)；是弹性残余应力强度因子，单位为MPa·(m1/2)，利用JS计算，JS是残余应力场下断裂参量，单位为MPa·m：其中：E′是有效弹性模量：E'＝E/(1-ν2)，E是弹性模量，ν是泊松比，和JS都利用有限元模拟结果提取；(Ⅱ)中:Lr是无量纲参量，描述主载荷幅度：其中：σy是屈服强度，单位为MPa；是主载荷参考应力，单位为MPa，用下式计算：其中：nL为无量纲裂纹深宽比参数，通过下式计算:常数(Ⅱ)中:其中：是弹性主载荷应力强度因子，单位为MPa·(m1/2)，是塑性主载荷应力强度因子，单位为MPa·(m1/2)；利用有限元模拟结果计算：(Ⅱ)中:β描述残余应力的幅度，是无量纲参量；是二次载荷参考应力，单位为MPa，利用有限元模拟计算；(Ⅱ)中:Z为无量纲的弹性追随因子，从有限元模拟结果中提取出应力应变关系，取等效蠕变应变增量与等效弹性应变增量的比值：(2)计算稳态蠕变复合应力场下C*积分数值，其计算公式为：其中:A是蠕变硬化系数，单位为MPa-n·h-1，KI是复合应力强度因子，单位为MPa·(m1/2)，是初始参考应力，单位为MPa；(3)然后计算裂尖参量C(t)，它是反映瞬态蠕变过程的载荷环路积分值，单位为MPa·mm·(h-1)，利用参考应力法计算：(Ⅴ)中：σref是总参考应力，单位为MPa，利用以下积分式计算：其中：是总参考应变速率，单位为h-1，是主载荷参考应变速率，单位为h-1，(Ⅴ)中：εref是总参考应变，利用下式计算：εref＝ε0ref+A∫σnrefdt其中：ε0ref是初始参考应变，ε0ref通过有限元模拟提取，(4)计算瞬态蠕变条件下的拘束参量Q*RR，其计算公式为：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，L是标...

【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