一种基于耦合蠕变本构模型的涡轮盘蠕变变形预测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于耦合蠕变本构模型的涡轮盘蠕变变形预测方法，针对涡轮盘复杂多应力场下的蠕变变形，利用标准试棒单轴蠕变试验得到不同应力水平下蠕变应变与时间的关系曲线；根据联合时间硬化蠕变本构模型与θ参数法蠕变本构模型，得到不同应力水平下的材料蠕变特征参数；在有限元软件ABAQUS提供的CREEP用户子程序中，将两种本构模型通过对各积分点施加环境应力的形式进行耦合计算；在每一时间增量步内对逐一积分点的蠕变应变、蠕变变形进行计算，预测涡轮盘在不同应力下的蠕变变形情况。该方法克服了无法同时准确预测航空发动机涡轮盘中低应力与高应力部分蠕变变形行为的问题，能够对复杂应力场下的蠕变变形情况进行预测。预测。预测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于耦合蠕变本构模型的涡轮盘蠕变变形预测方法


[0001]本专利技术涉及涡轮盘蠕变预测
，尤其涉及一种基于耦合蠕变本构模型的涡轮盘蠕变变形预测方法。

技术介绍

[0002]蠕变是指金属在一定温度下受持续应力作用而产生缓慢塑性变形的现象，蠕变现象的发生是温度、应力和时间三者共同作用的结果，其过程主要包括减速蠕变第一阶段、恒速蠕变第二阶段、加速蠕变第三阶段三个阶段，其特征是变形、应力和外力不再保持一一对应的关系，而且这种变形即使在应力小于屈服极限时仍具有不可逆的变形性质。
[0003]航空发动机的涡轮盘服役环境恶劣，不仅受到高温高压燃气的冲击，还要经受复杂的机械应力和热应力作用，而且在长时间服役过程中，蠕变性质不但会使其塑性变形过大产生磨损和碰撞，影响航空发动机正常工作及装配，甚至可能产生蠕变断裂引起涡轮盘破裂性失效并导致发动机故障，后果不堪设想。对航空发动机涡轮盘蠕变进行预测，可为涡轮盘设计方案的改进提供有效支撑，准确可靠的蠕变本构模型是对航空发动机涡轮盘蠕变变形进行预测的基础，现有技术针对涡轮盘蠕变变形分析的相关研究中，大部分研究都是沿用单一本构模型进行研究分析，如在工程中应用较为广泛的Norton蠕变本构模型、联合时间硬化蠕变本构模型与θ参数法蠕变本构模型等，而航空发动机涡轮盘在工作环境中产生的应力分布跨度较大，会造成构件中可能同时包含有蠕变的不同阶段，使用单一蠕变本构模型可能无法同时准确地预测航空发动机涡轮盘低应力与高应力部分的蠕变各阶段的变形情况，造成蠕变预测结果的失真。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种基于耦合蠕变本构模型的涡轮盘蠕变变形预测方法，该方法克服了无法同时准确预测航空发动机涡轮盘中低应力与高应力部分蠕变变形行为的问题，能够对复杂应力场下的蠕变变形情况进行准确的预测。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0006]一种基于耦合蠕变本构模型的涡轮盘蠕变变形预测方法，所述方法包括：
[0007]步骤1、针对涡轮盘复杂多应力场下的蠕变变形，利用标准试棒单轴蠕变试验得到不同应力水平下蠕变应变与时间的关系曲线；
[0008]步骤2、根据联合时间硬化蠕变本构模型与θ参数法蠕变本构模型，对不同应力水平下的试验数据进行拟合回归，得到不同应力水平下的材料蠕变特征参数；
[0009]步骤3、在有限元软件ABAQUS提供的CREEP用户子程序中，将联合时间硬化蠕变本构模型与θ参数法蠕变本构模型通过对各积分点施加环境应力的形式进行耦合计算；
[0010]步骤4、在ABAQUS中建立涡轮盘三维有限元模型，在所建立的模型上施加工作载荷及温度场，通过数值模拟得到涡轮盘三维有限元模型各积分点的应力、应变及温度；
[0011]步骤5、利用有限元软件ABAQUS提供的CREEP用户子程序在每一时间增量步内对逐
一积分点的蠕变应变、蠕变变形及松弛应力进行计算，预测涡轮盘在不同应力下的蠕变变形情况。
[0012]由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，上述方法克服了无法同时准确预测航空发动机涡轮盘中低应力与高应力部分蠕变变形行为的问题，能够对复杂应力场下的蠕变变形情况进行准确的预测，对于实际涡轮盘在工作环境中的蠕变变形行为研究具有重要的指导意义。
附图说明
[0013]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
[0014]图1为本专利技术实施例提供的基于耦合蠕变本构模型的涡轮盘蠕变变形预测方法流程示意图；
[0015]图2为本专利技术实施例所述GH4169高温合金在300MPa到800MPa应力水平下的蠕变应变随时间变化示意图；
[0016]图3为本专利技术实施例采用耦合蠕变本构模型在300MPa到800MPa应力水平下的蠕变应变拟合结果图；
[0017]图4为本专利技术实施例采用耦合蠕变本构模型模拟标准试棒在500MPa应力水平下的蠕变应变仿真与拟合结果示意图；
[0018]图5为本专利技术实施例采用耦合蠕变本构模型模拟标准试棒在700MPa应力水平下的蠕变应变仿真与拟合结果示意图。
具体实施方式
[0019]下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本专利技术的限制。基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。
[0020]如图1所示为本专利技术实施例提供的基于耦合蠕变本构模型的涡轮盘蠕变变形预测方法流程示意图，所述方法包括：
[0021]步骤1、针对涡轮盘复杂多应力场下的蠕变变形，利用标准试棒单轴蠕变试验得到不同应力水平下蠕变应变与时间的关系曲线；
[0022]在该步骤中，针对涡轮盘复杂多应力场下的蠕变变形，进行与涡轮盘相同材料的GH4169高温合金单轴蠕变试棒拉伸试验，获取该材料在工作温度650℃下、服役时长在1600h、工作载荷在300MPa～800MPa应力范围内的蠕变应变与时间的关系曲线，如图2所示为本专利技术实施例所述GH4169高温合金在300MPa到800MPa应力水平下的蠕变应变随时间变化示意图；
[0023]其中，单轴蠕变试棒拉伸试验中应力范围应覆盖涡轮盘的最大应力到最小应力。
[0024]步骤2、根据联合时间硬化蠕变本构模型与θ参数法蠕变本构模型，对不同应力水
平下的试验数据进行拟合回归，得到不同应力水平下的材料蠕变特征参数；
[0025]在该步骤中，对不同应力水平下蠕变应变与时间的关系曲线进行分析，在低应力水平下蠕变第一二阶段在涡轮盘服役寿命中的占比最大，随着应力增加，蠕变的第三阶段发生时间逐渐提前，第三阶段大幅度的蠕变变形会使构件处于危险状态甚至断裂；
[0026]在涡轮盘中，由于其工作载荷导致其工作应力跨度范围较大，造成了可能在涡轮盘中同时存在不同蠕变阶段的情况，为了保证蠕变本构模型准确的描述蠕变第一二阶段的稳态蠕变行为并预测第三阶段的发生时间，分别对不同应力下的蠕变应变与时间的关系曲线，采用针对蠕变第三阶段的θ参数法蠕变本构模型对材料特征参数进行参数拟合回归，θ参数法蠕变本构模型拟合公式如下式(1)和(2)所示：
[0027][0028]lgθ
i
＝a
i
+b
i
T+c
i
σ+d
i
Tσ(2)
[0029]采用针对蠕变第一二阶段的联合时间硬化蠕变本构模型对材料特征参数进行参数拟合回归，联合时间硬化蠕变本构模型拟合公式如下式(3)所示：
[0030][0031]公式(1)中θ1、θ2、θ3、θ4为影响系数，由公式(2)求得；a本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于耦合蠕变本构模型的涡轮盘蠕变变形预测方法，其特征在于，所述方法包括：步骤1、针对涡轮盘复杂多应力场下的蠕变变形，利用标准试棒单轴蠕变试验得到不同应力水平下蠕变应变与时间的关系曲线；步骤2、根据联合时间硬化蠕变本构模型与θ参数法蠕变本构模型，对不同应力水平下的试验数据进行拟合回归，得到不同应力水平下的材料蠕变特征参数；步骤3、在有限元软件ABAQUS提供的CREEP用户子程序中，将联合时间硬化蠕变本构模型与θ参数法蠕变本构模型通过对各积分点施加环境应力的形式进行耦合计算；步骤4、在ABAQUS中建立涡轮盘三维有限元模型，在所建立的模型上施加工作载荷及温度场，通过数值模拟得到涡轮盘三维有限元模型各积分点的应力、应变及温度；步骤5、利用有限元软件ABAQUS提供的CREEP用户子程序在每一时间增量步内对逐一积分点的蠕变应变、蠕变变形及松弛应力进行计算，预测涡轮盘在不同应力下的蠕变变形情况。2.根据权利要求1所述基于耦合蠕变本构模型的涡轮盘蠕变变形预测方法，其特征在于，在步骤1中，首先针对涡轮盘复杂多应力场下的蠕变变形，进行与涡轮盘相同材料的GH4169高温合金单轴蠕变试棒拉伸试验，获取该材料在工作温度650℃下、服役时长在1600h、工作载荷在300MPa～800MPa应力范围内的蠕变应变与时间的关系曲线；其中，单轴蠕变试棒拉伸试验中应力范围应覆盖涡轮盘的最大应力到最小应力。3.根据权利要求1所述基于耦合蠕变本构模型的涡轮盘蠕变变形预测方法，其特征在于，在步骤2中，对不同应力水平下蠕变应变与时间的关系曲线进行分析，在低应力水平下蠕变第一二阶段在涡轮盘服役寿命中的占比最大，随着应力增加，蠕变的第三阶段发生时间逐渐提前，为了保证蠕变本构模型准确描述蠕变第一二阶段的稳态蠕变行为并预测第三阶段的发生时间，采用针对蠕变第三阶段的θ参数法蠕变本构模型对材料特征参数进行参数拟合回归，θ参数法蠕变本构模型拟合公式如下式(1)和(2)所示：lgθ
i
＝a
i
+b
i
T+c
i
σ+d
i
Tσ(2)采用针对蠕变第一二阶段的联合时间硬化蠕变本构模型对材料特征参数进行参数拟合回归，联合时间硬化蠕变本构模型拟合公式如下式(3)所示：公式(1)中θ1、θ2、θ3、θ4为影响系数，由公式(2)求得；a
i
、b
i
、c
i
、d
i
为θ参数法蠕变本构模型中材料的蠕变特征参数，i＝1，2，3，4；ε
cr

【专利技术属性】
技术研发人员：张洪伟，陈涛，闫锡超，吉康康，张家麒，苗学林，
申请(专利权)人：北京石油化工学院，
类型：发明
国别省市：