【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于材料性能预测，尤其是涉及一种金属材料蠕变-疲劳寿命预测模型的择优方法。
技术介绍
1、随着科学技术的进步，机械结构面对着“高性能”、“环境适应性”以及“长寿命化”的需求，因为它们直接关系到机械机构的服役性能、使用寿命和安全可靠性。对于机械结构而言，其结构材料在服役过程中会受到复杂环境等因素的影响，进而发生蠕变-疲劳耦合损伤，大大制约了机械结构高性能-高耐久性-低维修成本的发展需求，迫切需要在航天结构件的材料选用、失效诊断以及寿命预测等方面取得突破性进展。
2、此外，传统建立纯疲劳或纯蠕变机制下的寿命评估，已远不能满足复杂服役环境下机械结构及材料寿命预测的要求。因此，需要在明确金属结构及材料的蠕变-疲劳耦合损伤模式、规律及机理的前提下，基于多理论和方法，揭示、分析及构建金属材料蠕变-疲劳损伤演化方程，形成基于失效机制的蠕变-寿命疲劳耦合损伤评估方法，才能满足机械结构环境-高性能-高安全性设计要求。
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种金属材料蠕变-疲劳寿命预测模型的择优方法，对于金属材料的蠕变-疲劳失效而言，充分考虑蠕变-疲劳之间的交互作用，建立蠕变-疲劳交互理论，对比不同应力、应变及能量损伤原理下模型，考虑平均应力与应力松弛对建模精度的影响，得出针对金属材料蠕变-疲劳寿命预测的最优模型，形成基于失效机制的蠕变-寿命疲劳耦合损伤评估方法，满足机械结构环境-高性能-高安全性设计要求。
2、为解决上述技
3、步骤一、获取金属材料不同保载时间下的时间-寿命曲线：根据金属材料蠕变-疲劳试验标准，进行单轴恒定应变条件下的蠕变-疲劳试验，将所得试验数据绘制在坐标系内，得到金属材料在单轴恒定应变条件下的时间-寿命曲线；
4、步骤二、建立非线性累计损伤模型,过程如下：
5、步骤201、根据线性损伤总和准则，在整个使用周期内，当金属材料的疲劳损伤和蠕变损伤之和等于1时，即金属材料材料发生破坏；其中，为金属材料发生破坏时累计的疲劳损伤，为金属材料发生破坏时累计的蠕变损伤；
6、步骤202、根据整个使用周期内每一次循环的疲劳损伤df和蠕变损伤dc，得到整个使用周期内对应的疲劳损伤和蠕变损伤即
7、
8、
9、其中，n0为在蠕变-疲劳交互试验中使用相同总应变范围的纯疲劳循环次数；
10、步骤203、代入步骤201中的公式得到线性损伤模型:
11、
12、步骤204、根据skelton描述的损伤函数，将步骤201中累计的线性损伤拓展到非线性损伤函数，步骤201中的公式修改为并将步骤202中的公式代入，得到非线性累计损伤模型
13、步骤三、确定金属材料的蠕变损伤，过程如下：
14、步骤301、根据时间分数模型，得到保载阶段内的每一次蠕变损伤的积分表达式为结合feltham提出的随保持时间变化的应力松弛模型，得到每一次循环的蠕变损伤即其中，th为每一次循环的拉伸保持时间，tr(σ,t)为不同应力水平σ和温度t下的蠕变破裂时间；σ0为稳定周期保持时间的初始应力，b”和b均为拟合参数，t为从保持时间开始算起的时间；
15、步骤302、根据延性耗竭模型，得到保载阶段内的每一次蠕变损伤的积分表达式为结合瞬时非弹性应变率与延性蠕变之间的线性关系，得到每一次循环的蠕变损伤即其中，为瞬时非弹性应变率；是在给定和t下的延性蠕变；b”和b为拟合参数；e为杨氏模量；β和d均为拟合参数；
16、步骤303、根据应变能密度耗竭模型，并对应变能密度耗竭模型进行修正，得到保载阶段内的每一次蠕变损伤的积分表达式为结合平均应力对蠕变-疲劳交互试验的影响，以及塑性应变范围δεpp和保持时间对应力松弛行为的影响，得到每一次循环的蠕变损伤即其中，是由非弹性应变能密度率以及温度共同决定的失效应变能密度的方程；为非弹性应变能密度率；ωcrit(t)为在一定温度下不发生蠕变损伤时的临界破坏应变能密度；和n1为材料和温度相关系数；
17、步骤四、验证蠕变-疲劳寿命预测精度：以试验疲劳寿命为横坐标，预测寿命为纵坐标，建立坐标系，将三种蠕变损伤的预测模型分别结合疲劳损伤的预测模型得到的不同保持时间下的蠕变-疲劳寿命预测结果在坐标系中标出，得到时间分数模型的预测结果的离散程度最大，超出了5倍线边界；延性耗竭模型的预测结果皆在5倍线边界内，预测的偏差小于时间分数模型；应变能密度耗竭模型的预测结果皆在3倍线边界内；得出三种蠕变损伤评估模型中应变能密度耗竭模型的精度最高。
18、上述的一种金属材料蠕变-疲劳寿命预测模型的择优方法，其特征在于：步骤202中，整个使用周期内每一次循环的疲劳损伤df是通过无保持时间的疲劳寿命的倒数得到，即
19、上述的一种金属材料蠕变-疲劳寿命预测模型的择优方法，其特征在于：步骤301中，tr与不同应力水平σ的关系为tr(σ,t)＝k·σ-α；其中，k与α是与材料和温度相关的系数，通过拟合蠕变试验结果tr和σ得到；feltham提出的随保持时间变化的应力松弛模型为σf＝σ0[1-b”ln(bt+1)]。
20、上述的一种金属材料蠕变-疲劳寿命预测模型的择优方法，其特征在于：步骤302中，在给定时间t的应力松弛过程中的瞬时非弹性应变率且瞬时非弹性应变率与延性蠕变之间的线性关系为其中，为应力松弛过程中的应力松弛速率；且
21、上述的一种金属材料蠕变-疲劳寿命预测模型的择优方法，其特征在于：步骤303中，和之间的关系为其中，和n1为材料和温度相关系数；ωf为累积到破坏的非弹性应变能密度，且
22、上述的一种金属材料蠕变-疲劳寿命预测模型的择优方法，其特征在于：步骤303中，结合平均应力对蠕变-疲劳交互试验的影响，当外加应力大于平均应力绝对值时，蠕变-疲劳裂纹开始逐渐萌生和扩展时，非弹性应变能密度为且其中，是在给定时刻t的瞬时非弹性应变能密度；对非弹性应变能密度进行微分得到在给定时间的瞬时非弹性应变能密度变化率即
23、上述的一种金属材料蠕变-疲劳寿命预测模型的择优方法，其特征在于：步骤303中，结合塑性应变范围δεpp和保持时间对应力松弛行为的影响，得到随保持时间变化的应力松弛模型为σj＝σ0-(a·logδεpp+b)·log(1+t)；其中，a和b为拟合修正的参数；将应力松弛公式对保载时间t进行求导，得到代入瞬时非弹性应变能密度变化率的公式中得到
24、
25、令
26、则
27、上述的一种金属材料蠕变-疲劳寿命预测模型的择优方法，其特征在于：步骤303中，结合平均应力对蠕变-疲劳交互试验的影响，以及塑性应变范围δεpp和保持时间对应力松弛行为的影响，改进后的应变能密度耗竭模型中，将保载阶段内本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种金属材料蠕变-疲劳寿命预测模型的择优方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种金属材料蠕变-疲劳寿命预测模型的择优方法，其特征在于：步骤202中，整个使用周期内每一次循环的疲劳损伤df是通过无保持时间的疲劳寿命的倒数得到，即
3.根据权利要求1所述的一种金属材料蠕变-疲劳寿命预测模型的择优方法，其特征在于：步骤301中，tR与不同应力水平σ的关系为tR(σ,T)＝k·σ-α；其中，k与α是与材料和温度相关的系数，通过拟合蠕变试验结果tR和σ得到；Feltham提出的随保持时间变化的应力松弛模型为σF＝σ0[1-B”ln(bt+1)]。
4.根据权利要求1所述的一种金属材料蠕变-疲劳寿命预测模型的择优方法，其特征在于：步骤302中，在给定时间t的应力松弛过程中的瞬时非弹性应变率且瞬时非弹性应变率与延性蠕变之间的线性关系为其中，为应力松弛过程中的应力松弛速率；且
5.根据权利要求1所述的一种金属材料蠕变-疲劳寿命预测模型的择优方法，其特征在于：步骤303中，和之间的关系为其中，和n1为材料和温度相关系数
6.根据权利要求1所述的一种金属材料蠕变-疲劳寿命预测模型的择优方法，其特征在于：步骤303中，结合平均应力对蠕变-疲劳交互试验的影响，当外加应力大于平均应力绝对值时，蠕变-疲劳裂纹开始逐渐萌生和扩展时，非弹性应变能密度为且其中，是在给定时刻t的瞬时非弹性应变能密度；对非弹性应变能密度进行微分得到在给定时间的瞬时非弹性应变能密度变化率即
7.根据权利要求1所述的一种金属材料蠕变-疲劳寿命预测模型的择优方法，其特征在于：步骤303中，结合塑性应变范围Δεpp和保持时间对应力松弛行为的影响，得到随保持时间变化的应力松弛模型为σJ＝σ0-(A·logΔεpp+B)·log(1+t)；其中，A和B为拟合修正的参数；将应力松弛公式对保载时间t进行求导，得到代入瞬时非弹性应变能密度变化率的公式中得到
8.根据权利要求1所述的一种金属材料蠕变-疲劳寿命预测模型的择优方法，其特征在于：步骤303中，结合平均应力对蠕变-疲劳交互试验的影响，以及塑性应变范围Δεpp和保持时间对应力松弛行为的影响，改进后的应变能密度耗竭模型中，将保载阶段内的蠕变损伤的积分表达式修正为其中，ωcrit(T)是在一定温度下没有蠕变损伤的临界失效应变能密度；
...【技术特征摘要】
1.一种金属材料蠕变-疲劳寿命预测模型的择优方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种金属材料蠕变-疲劳寿命预测模型的择优方法，其特征在于：步骤202中，整个使用周期内每一次循环的疲劳损伤df是通过无保持时间的疲劳寿命的倒数得到，即
3.根据权利要求1所述的一种金属材料蠕变-疲劳寿命预测模型的择优方法，其特征在于：步骤301中，tr与不同应力水平σ的关系为tr(σ,t)＝k·σ-α；其中，k与α是与材料和温度相关的系数，通过拟合蠕变试验结果tr和σ得到；feltham提出的随保持时间变化的应力松弛模型为σf＝σ0[1-b”ln(bt+1)]。
4.根据权利要求1所述的一种金属材料蠕变-疲劳寿命预测模型的择优方法，其特征在于：步骤302中，在给定时间t的应力松弛过程中的瞬时非弹性应变率且瞬时非弹性应变率与延性蠕变之间的线性关系为其中，为应力松弛过程中的应力松弛速率；且
5.根据权利要求1所述的一种金属材料蠕变-疲劳寿命预测模型的择优方法，其特征在于：步骤303中，和之间的关系为其中，和n1为材料和温度相关系数；ωf为累积到破坏的非弹性应变能密度，且
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【专利技术属性】
技术研发人员：孙锐，周永康，张文，刘辉，夏明星，蔡小梅，白润，
申请(专利权)人：西北有色金属研究院，
类型：发明
国别省市：
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