CN108009311B - 一种针对蠕变试验的蠕变本构模型参数识别方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明涉及材料本构模型与力学行为的技术领域,尤其涉及一种针对蠕变试验的蠕变本构模型参数识别方法。
背景技术
在石油化工、电力和航空航天等工业领域中,诸如压力容器、发电锅炉、汽轮机和燃气轮机等设备长期承受高温载荷作用。随着工业技术飞速发展以及能源结构不断调整,这些高温设备的服役参数向极端化方向发展,保障它们在长周期运行过程中的本质安全已成为我国工业发展中十分突出的问题。在高温条件下,蠕变变形与断裂成为限制高温设备使用寿命的重要失效模式。但由于高温蠕变性能测试耗时长(从1万小时到10万小时不等)、费用高,导致我国高温设备典型材料的高温蠕变基础性能数据极为匮乏,难以形成我国的高温结构强度设计标准。
近年来,非接触式应变测量技术逐渐引起人们的关注与重视,并用于材料性能表征。基于变截面的高温蠕变性能测试方法可以实现对蠕变性能的测量,即利用一次试验获取多个应力水平的蠕变性能数据。但由于蠕变过程中不同截面的材料存在相互约束,导致传统的曲线拟合方法不能应用在基于时间-空间演化的应变数据的蠕变本构模型参数识别,从而难以准确预测材料的蠕变行为。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足,本发明的目的在于解决现有技术中难以准确预料材料的蠕变行为的问题,为此,本发明提供一种针对蠕变试验的蠕变本构模型参数识别方法。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种针对蠕变试验的蠕变本构模型参数识别方法,包括以下步骤:
S1、选定试样为设定厚度的板状试样,板状试样中三个相邻且两两垂直的面分别为试样分析面、厚度方向的纵截面和蠕变载荷F作用面,所述试样分析面与作用在试样上的蠕变载荷F方向平行,所述蠕变载荷F的方向设定为y方向;确定在蠕变载荷F作用下初始时刻试样分析面第i个测量点的在y方向的瞬时应变εy(xi,yi,t0),其中i=1,2,…,m,xi和yi为第i个测量点的坐标值,t0表示初始时刻,εy表示沿蠕变载荷F加载方向的瞬时应变;
S3、所述试样分析面为变截面,在所述变截面上设定应变测量的单元网格,并确定以第i个测量点为中心的网格面积Ai;
其中,p={p1,p2,...,ps}为待识别的s个蠕变本构模型参数,根据试样材料设定p参数,并将根据步骤S2得到的t=tk时刻的蠕变应变和tk分别代入到公式(1)的和t中,从而得到t=tk时刻变截面试样分析面第i个测量点的应力水平σ(xi,yi,tk);
S5、获得试样在蠕变载荷F作用下的外虚功,即
其中L为蠕变载荷F作用点沿y方向的虚位移;
S6、采用最小二乘法获得用于识别蠕变本构模型参数的目标函数,即
其中,为试样在蠕变过程中的内虚功,将第S3~S5步分别得到的网格面积Ai、应力水平σ(xi,yi,tk)和外虚功代入到公式(3)中,利用遗传算法求得如公式(4)所示的目标函数的极小值,此时对应的p的取值为popt,对应的参数popt即为识别的蠕变本构模型参数值为
优化的,获得步骤S2中的蠕变应变的步骤如下,根据步骤S1得到的瞬时应变,在tk时刻试样分析面第i个测量点的蠕变应变即为
其中B和c为试样材料设定的蠕变本构模型的2个参数,即为p集合的两个参数,对公式(6)进行积分,积分区间为[0,t],从而得到蠕变应变即公式(1)的具体表达式如下:
εy cr=B×σc×t (7)
相应的,可得步骤S6中的公式(3)对应目标函数为
对应的参数Bopt和copt为识别的蠕变本构模型参数值为
用于描述试样材料蠕变变形行为的公式为
优化的,在步骤S5中,基于蠕变载荷F作用下的虚功原理,选取如公式(8)所示的一组虚位移条件,即沿x和y方向的虚位移u*和v*表示为:
本发明的优点在于:
(1)本发明考虑到在蠕变试验中从变截面试样上可获得具有非线性相关的海量应变测量数据,在虚功原理基础上,提出针对变截面试样的蠕变本构模型参数识别方法,当材料和环境条件不变的情况下,根据受力情况就可以预测试样材料蠕变变形行为。
(2)根据在变截面试样蠕变过程中获得的试样分析面的瞬时应变,确定出不同时刻的蠕变变形量,更进一步地根据蠕变本构关系推导得到变截面试样的应力水平。
(3)本发明在获得海量非线性相关测量数据基础上,采用遗传算法对蠕变本构模型参数进行识别,避免在目标函数极小值求解过程中陷入局部最优的陷阱,可获得满意的参数最优解。
附图说明
图1为本发明中用于蠕变试验的变截面试样及其单元网格示意图。
图2为变截面试样几何尺寸及其单元网格。
图3为变截面试样y方向的瞬时应变εy(xi,yi,t0)(i=1,2,…,1600)的分布云图。
图4为在tk=500h时刻变截面试样瞬时应变εy(xi,yi,tk)(i=1,2,…,1600)的分布云图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更详细的说明。本实施例仅说明本发明实施的一种具体情况,并不限定本发明的其他实施情况。
实施例1
一种针对蠕变试验的蠕变本构模型参数识别方法,包括如下步骤:
S1:在基于变截面试样的试样材料的蠕变试验中,变截面试样承受蠕变载荷F的作用。选定试样为设定厚度的板状试样,板状试样中三个相邻且两两垂直的面分别为试样分析面、厚度方向的纵截面和蠕变载荷F作用面,所述试样分析面与作用在试样上的蠕变载荷F方向平行,所述蠕变载荷F的方向设定为y方向。如图1-2所示,试样材料为碳锰钢SA-210C,试样厚度H为1mm,试样在蠕变载荷F加载端的宽度W为20mm,试样长度L为100mm。试样分析面为由长度和宽度所确定的面。确定在蠕变载荷作用初始时刻试样分析面第i个测量点在y方向的瞬时应变εy(xi,yi,t0)(i=1,2,…,m)。它承受的蠕变载荷F等于2000N,利用有限元软件进行虚拟实验,获得变截面试样在y方向的瞬时应变εy(xi,yi,t0)(i=1,2,…,1600),如图3所示。
S2:提取在第k(k=1,2,…,n)个瞬时应变测量时刻tk处试样分析面第i个测量点的瞬时应变εy的测量值εy(xi,yi,tk)(i=1,2,…,m),其中,n为测量时刻数量;根据步骤S1得到的瞬时应变,计算在tk时刻试样分析面第i个测量点(i=1,2,…,m)的蠕变应变,即
S3:所述试样分析面为变截面,在所述变截面上设定应变测量的单元网格,确定以第i个测量点(i=1,2,…,m)为中心的网格面积,用Ai表示。在本实施例中,用于分析的单元网格如附图2所示,其单元网格数量m等于1600,单元面积Ai由有限元软件获得。
其中,根据试样材料,蠕变本构模型参数B和c的取值分别设定为5.349×10-24和8.8488,应力水平σ的取值为F/(W×H)=2000N/(20mm×1mm)=100MPa。由此可通过有限元软件计算得到变截面试样在10个应变测量时刻的应变值εy(xi,yi,tk)(其中tk=50,100,150,200,250,300,350,400,450,500h)。附图4为在tk=500h处变截面试样瞬时应变εy(xi,yi,tk)(i=1,2,…,1600)的分布情况。因此,利用εy(xi,yi,tk)和步骤S1得到的εy(xi,yi,t0),根据公式(5)即可得到在tk时刻试样分析面第i个测量点(i=1,2,…,1600)的蠕变应变。
其中,B和c为试样材料设定的蠕变本构模型的2个参数。对公式(6)进行积分,积分区间为[0,t],从而得到蠕变应变的表达式如下:
εy cr=B×σc×t (7)
S5:基于蠕变载荷F作用下的虚功原理,选取如公式(8)所示的一组虚位移条件,即沿x和y方向的虚位移u*和v*表示为:
在本实施例中,由于蠕变载荷F和L分别等于2000N和100mm,利用公式(9)可计算出外虚功等于200J。
其中,为试样在蠕变过程中的内虚功。将步骤S3~S5分别得到的Ai、σ(xi,yi,tk)和代入到公式(10)中,利用遗传算法求得如公式(9)所示的目标函数极小值,若极小值小于某一指定值时,此时对应的B和c的取值分别为Bopt和copt,此即识别出的材料蠕变本构模型参数值。
将由公式(11)识别得到的Bopt和copt代入公式(7)中,得到
由此得到的公式(12)可用于描述试样材料的蠕变变形行为。
在本实施例中,取值为1×10-5。将步骤S3~S5分别得到的Ai、σ(xi,yi,tk)和代入到公式(10)后,进而利用公式(11)得到目标函数的极小值等于2.0916×10-6,所对应的Bopt和copt分别等于4.4969×10-24和8.8852。由于目标函数的极小值小于指定值所以Bopt和copt即碳锰钢SA-210C的待识别蠕变本构模型参数值。
将识别得到的Bopt和copt值代入到公式(6)中,得到
由此得到的公式(13)可用于描述碳锰钢SA-210C的蠕变变形行为。
实施例2
在实施例1相同的环境下对碳锰钢SA-210C施加沿y方向的蠕变载荷F2,F2的力区别于实施例1中的蠕变载荷F,分别测量实施例1中相同的1600个测试点在tk=50,100,150,200,250,300,350,400,450,500h的值,最后获得测量值符合公式(13)。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已,并不用以限制本发明创造,凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明创造的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种针对蠕变试验的蠕变本构模型参数识别方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、选定试样为设定厚度的板状试样,板状试样中三个相邻且两两垂直的面分别为试样分析面、厚度方向的纵截面和蠕变载荷F作用面,所述试样分析面与作用在试样上的蠕变载荷F方向平行,所述蠕变载荷F的方向设定为y方向;确定在蠕变载荷F作用下初始时刻试样分析面第i个测量点的在y方向的瞬时应变εy(xi,yi,t0),其中i=1,2,…,m,xi和yi为第i个测量点的坐标值,t0表示初始时刻,εy表示沿蠕变载荷F加载方向的瞬时应变;
S3、所述试样分析面为变截面,在所述变截面上设定应变测量的单元网格,并确定以第i个测量点为中心的网格面积Ai;
其中,p={p1,p2,...,ps}为待识别的s个蠕变本构模型参数,根据试样材料设定p参数,并将步骤S2得到的t=tk时刻的蠕变应变和tk分别代入到公式(1)的和t中,从而得到t=tk时刻变截面试样分析面第i个测量点的应力水平σ(xi,yi,tk);
S5、获得试样在蠕变载荷F作用下的外虚功,即
其中L为蠕变载荷F作用点沿y方向的虚位移;
S6、采用最小二乘法获得用于识别蠕变本构模型参数的目标函数,即
其中,为试样在蠕变过程中的内虚功,将第S3~S5步分别得到的网格面积Ai、应力水平σ(xi,yi,tk)和外虚功代入到公式(3)中,利用遗传算法求得如公式(4)所示的目标函数的极小值,此时对应的p的取值为popt,对应的参数popt即为识别的蠕变本构模型参数值为
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