CN108732033B - 弹性瞬态蠕变条件下考虑拘束效应的蠕变孕育期预测方法 - Google Patents

弹性瞬态蠕变条件下考虑拘束效应的蠕变孕育期预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种弹性瞬态蠕变条件下考虑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，本发明的有益效果：能够在结构中简洁有效的预测出弹性瞬态蠕变条件下蠕变孕育期。

Description

弹性瞬态蠕变条件下考虑拘束效应的蠕变孕育期预测方法
技术领域
本发明涉及考虑拘束效应的高温结构在弹性瞬态蠕变条件下的蠕变孕育期工程临界评价，就是确定当高温结构中存在表面裂纹且处在弹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。
背景技术
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。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种弹性瞬态蠕变条件下考虑拘束效应的蠕变孕育期预测方法。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
本发明在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。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
本发明的弹性瞬态蠕变条件下考虑拘束效应的蠕变孕育期预测方法，包括以下步骤：
S1：建立模型：所述模型包括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，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应设置，分别设置在槽的上下两端；
S2：缺口后部插入预制裂纹，槽、缺口、预制裂纹在同一平面上，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；
S3：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QRR，其计算公式为：
Figure GDA0002230096670000021
(I)中：
Figure GDA0002230096670000022
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：(Zhao L,Xu L,Han Y,Jing H.Two-parametercharacterization of constraint effect induced by specimen size on creep crackgrowth.Engng Fract Mech 2012；96:251–66.)；
(I)中：σ22是利用HRR应力场(塑性裂纹尖端应力场)计算得出的裂纹前沿的张开应力值，单位是MPa，
Figure GDA0002230096670000023
(Ⅱ)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，
Figure GDA0002230096670000024
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化指数，n和
Figure GDA0002230096670000025
参见文献：(Zhao L,Jing H,Xu L,Han Y,Xiu J.Evaluation of constrainteffects on creep crack growth by experimental investigation and numericalsimulation.Engng Fract Mech 2012；96:251–66.)，In是与n有关的无量纲函数，
Figure GDA0002230096670000026
是与θ和n有关的无量纲函数，In、
Figure GDA0002230096670000027
具体值可以查阅文献得到：(Shih,C.F..1983.Tables of Hutchinson-Rice-Rosengren Singular Field Quantities.BrownUniversity Technical Report,MRL E-147.)；
(Ⅱ)中：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：
Figure GDA0002230096670000028
其中：t是时间，单位是h，C*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，E、ν二者均参见文献：(Zhao L,Jing H,Xu L,Han Y,Xiu J.Evaluation of constraint effects on creepcrack growth by experimental investigation and numerical simulation.EngngFract Mech 2012；96:251–66.)，K是应力强度因子，单位为MPa·(m)0.5，计算公式：
Figure GDA0002230096670000031
Figure GDA0002230096670000032
(Ⅲ)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
Figure GDA0002230096670000033
其计算公式为：
Figure GDA0002230096670000034
(Ⅳ)中：σ11是利用RR应力场(瞬态蠕变裂纹尖端应力场)计算得出的裂纹前沿的应力值，单位是MPa，
Figure GDA0002230096670000035
其中：
Figure GDA0002230096670000036
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.Tables of Hutchinson-Rice-Rosengren Singular Field Quantities.BrownUniversity Technical Report,MRL E-147.)；
(3)利用MATALAB软件计算转换时间tK-RR：在此时刻满足：
Figure GDA0002230096670000037
弹性阶段损伤累计值：
Figure GDA0002230096670000038
(Ⅴ)中：弹性等效应力
Figure GDA0002230096670000039
其计算公式为：
Figure GDA00022300966700000310
其中：
Figure GDA00022300966700000311
是与裂纹尖端角度θ和泊松比ν有关的无量纲函数，可查表获得(Webster,G.A.,1994.Fracturemechanicsinthecreeprange.JournalofStrainAnalysisforEngineeringDesign29,215–223.)；
(Ⅴ)中：MSFK为弹性条件下多轴应力因子，根据Cocks and Ashby关系式计算：
Figure GDA00022300966700000312
其中：n为无量纲的蠕变应力硬化指数，sinh是双曲正弦函数，hk为弹性应力三轴度，在弹性应力状态下：
Figure GDA0002230096670000041
其中：θ是裂纹尖端角度，ν是泊松比；
(4)然后利用MATALAB软件计算瞬态蠕变应力场下孕育期时间ti，其计算公式为：
Figure GDA0002230096670000042
(Ⅵ)中：d(mm)是判定蠕变萌生发生时裂尖前蠕变损伤达到1所延伸的距离，即蠕变萌生发生的临界距离。
(Ⅵ)中：MSFRR为塑性条件下多轴应力因子，根据Cocks and Ashby关系式计算：
Figure GDA0002230096670000043
sinh是双曲正弦函数，hRR为瞬态蠕变应力三轴度，在塑性应力状态下：
Figure GDA0002230096670000044
其中：
Figure GDA0002230096670000045
和
Figure GDA0002230096670000046
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.Tables of Hutchinson-Rice-Rosengren Singular FieldQuantities.Brown University Technical Report,MRL E-147.)。
优选的，d取所研究材料的晶粒尺寸。
优选的，所述
Figure GDA0002230096670000047
C*的有限元模拟采用ABAQUS6.14进行计算模拟，
Figure GDA0002230096670000048
C*的提取过程包括以下步骤：
(1)首先建立主载荷拉伸加载的CT试样的有限元模型，在材料属性模块里设置高温下的弹性塑性蠕变参数，在网格模块划分网格，在接触模块里设置拉伸销子与销孔的刚性接触，并在模型中插入预制裂纹，在分析步模块里设置好输出参量：应力值、断裂参量C*值，在载荷模块里设置拉伸载荷，以及拘束条件：包括对称条件和固定条件；
(2)在作业模块提交任务计算，获得含有蠕变拉伸实验计算结果，结果文件中，从历史变量中可以获取断裂参量C*，在场变量可以获取应力值
Figure GDA0002230096670000049
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出了修正的弹性瞬态蠕变条件下蠕变孕育期预测模型，本设计方法能够利用含拘束效应的模型，提出一种简化的弹性瞬态蠕变条件下蠕变孕育期预测方法，因此能够在结构中简洁有效的预测出弹性瞬态蠕变条件下蠕变孕育期。
附图说明
图1紧凑拉伸试样(CT)拉伸示意图；
其中：1-CT试样本体，2-上主载荷销孔，3-槽，4-缺口，5-预制裂纹，6-下主载荷销孔。
图2蠕变裂纹萌生临界条件示意图；
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例选取P92高温耐热钢，以B＝10mm，W＝20mm，a/W＝0.5的CT试样作为研究对象，以主载荷P＝1200N作为研究载荷。其主要材料属性见下表：
Figure GDA0002230096670000051
其中：E-16为10的-16次方。
弹性瞬态蠕变条件下考虑拘束效应的蠕变孕育期预测方法，包括以下步骤：
S1：建立如图1所示的模型：所述模型包括CT试样本体1，所述CT试样本体1的中部前端设有槽3，槽3的后部设有缺口4，CT试样本体1上还设有上主载荷销孔2、下主载荷销孔6，上主载荷销孔2、下主载荷销孔6上下对应设置，分别设置在槽3的上下两端；
S2：缺口处插入预制裂纹5，槽3、缺口4、预制裂纹5在同一平面上。利用销子在上主载荷销孔2、下主载荷销孔6施加主载荷，进行高温蠕变试验；
S3：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)首先计算各个参量：瞬态蠕变条件条件下的拘束参量QRR：
通过有限元结果提取以下几个数据：
i.首先建立主载荷拉伸加载的CT试样的有限元模型，在材料属性模块里设置高温下的弹性塑性蠕变参数，在网格模块划分网格，在接触模块里设置拉伸销子与销孔的刚性接触，并在模型中插入预制裂纹，在分析步模块里设置好输出参量：应力值、断裂参量C*积分值，在载荷模块里设置拉伸载荷，以及拘束条件：包括对称条件和固定条件；
ii.在作业模块提交任务计算，获得含有蠕变拉伸实验计算结果，结果文件中，从历史变量中可以获取断裂参量C*＝0.000666564MPa﹒mm﹒h-1，在场变量可以获取应力值
Figure GDA0002230096670000052
(a)查表得：
Figure GDA0002230096670000053
In＝4.99，P92钢的材料参数εcrit＝0.2；n＝5.23,在计算蠕变应力以及拘束时候，取裂尖前的距离r＝d＝0.05mm。
(b)E'＝E/(1-ν2)＝137362MPa
Figure GDA0002230096670000061
Figure GDA0002230096670000062
(e)查表得：
Figure GDA0002230096670000063
弹性等效应力
Figure GDA0002230096670000064
(f)
Figure GDA0002230096670000065
裂纹前沿的张开应力：
Figure GDA0002230096670000066
Figure GDA0002230096670000067
(2)查表得：
Figure GDA0002230096670000068
Figure GDA0002230096670000069
瞬态蠕变等效应力
Figure GDA00022300966700000610
(3)转换时间tK-RR：利用
Figure GDA00022300966700000611
以及MATALAB计算得：tK-RR＝0h
查表得：f11(θ)＝1
Figure GDA00022300966700000612
等效应力：
Figure GDA00022300966700000613
弹性阶段损伤累计值：
Figure GDA00022300966700000614
(4)然后计算瞬态蠕变应力场下发生的萌生：
(a)查表得：
Figure GDA00022300966700000615
In＝4.99,P92钢的材料参数n＝5.23，εcrit＝0.2；
应力三轴度：
Figure GDA00022300966700000616
多轴应力因子：
Figure GDA0002230096670000071
d(mm)是判定蠕变萌生发生时裂尖前蠕变损伤达到1所延伸的距离，即蠕变萌生发生的临界距离，一般取所研究材料的晶粒尺寸，如图2所示。
瞬态蠕变条件下孕育期：
Figure GDA0002230096670000072
利用MATALAB解积分得：ti K-RR＝255h。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.弹性瞬态蠕变条件下考虑拘束效应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：所述模型包括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，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应设置，分别设置在槽的上下两端；
S2：缺口后部插入预制裂纹，槽、缺口、预制裂纹在同一平面上，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；
S3：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QRR，其计算公式为：
Figure FDA0002230096660000011
(I)中：
Figure FDA0002230096660000012
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；
(I)中：σ22是利用HRR应力场(塑性裂纹尖端应力场)计算得出的裂纹前沿的张开应力值，单位是MPa，
Figure FDA0002230096660000013
(Ⅱ)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，
Figure FDA0002230096660000014
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化指数，In是与n有关的无量纲函数，
Figure FDA0002230096660000015
是与θ和n有关的无量纲函数；
(Ⅱ)中：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：
Figure FDA0002230096660000016
其中：t是时间，单位是h，C*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：
Figure FDA0002230096660000021
Figure FDA0002230096660000022
(Ⅲ)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
Figure FDA0002230096660000023
其计算公式为：
Figure FDA0002230096660000024
(Ⅳ)中：σ11是利用RR应力场计算得出的裂纹前沿的应力值，单位是MPa，
Figure FDA0002230096660000025
其中：
Figure FDA0002230096660000026
是与θ和n有关的无量纲函数；
(3)利用MATALAB软件计算转换时间tK-RR：在此时刻满足：
Figure FDA0002230096660000027
弹性阶段损伤累计值：
Figure FDA0002230096660000028
(Ⅴ)中：弹性等效应力
Figure FDA0002230096660000029
其计算公式为：
Figure FDA00022300966600000210
其中：
Figure FDA00022300966600000211
是与裂纹尖端角度θ和泊松比ν有关的无量纲函数；
(Ⅴ)中：MSFK为弹性条件下多轴应力因子，根据Cocks and Ashby关系式计算：
Figure FDA00022300966600000212
其中：n为无量纲的蠕变应力硬化指数，sinh是双曲正弦函数，hk为弹性应力三轴度，在弹性应力状态下：
Figure FDA00022300966600000213
其中：θ是裂纹尖端角度，ν是泊松比；
(4)然后利用MATALAB软件计算瞬态蠕变应力场下孕育期时间ti，其计算公式为：
Figure FDA0002230096660000031
(Ⅵ)中：d是判定蠕变萌生发生时裂尖前蠕变损伤达到1所延伸的距离，单位为mm，即蠕变萌生发生的临界距离，
(Ⅵ)中：MSFRR为塑性条件下多轴应力因子，根据Cocks and Ashby关系式计算：
Figure FDA0002230096660000032
sinh是双曲正弦函数，hRR为瞬态蠕变应力三轴度，在塑性应力状态下：
Figure FDA0002230096660000033
其中：
Figure FDA0002230096660000034
和
Figure FDA0002230096660000035
是与θ和n有关的无量纲函数。
2.根据权利要求1所述的弹性瞬态蠕变条件下考虑拘束效应的蠕变孕育期预测方法，其特征在于：d取所研究材料的晶粒尺寸。
3.根据权利要求1所述的弹性瞬态蠕变条件下考虑拘束效应的蠕变孕育期预测方法，其特征在于：所述
Figure FDA0002230096660000036
C*的有限元模拟采用ABAQUS6.14进行计算模拟，
Figure FDA0002230096660000037
C*的提取过程包括以下步骤：
(1)首先建立主载荷拉伸加载的CT试样的有限元模型，在材料属性模块里设置高温下的弹性塑性蠕变参数，在网格模块划分网格，在接触模块里设置拉伸销子与销孔的刚性接触，并在模型中插入预制裂纹，在分析步模块里设置好输出参量：应力值、断裂参量J积分值，在载荷模块里设置拉伸载荷，以及拘束条件：包括对称条件和固定条件；
(2)在作业模块提交任务计算，获得含有蠕变拉伸实验计算结果，结果文件中，从历史变量中可以获取断裂参量C*，在场变量可以获取应力值
Figure FDA0002230096660000038
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