CN112730117B - 一种变温变载蠕变等效加速谱编制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变温变载蠕变等效加速谱编制方法，包括如下步骤：分别进行材料高温拉伸试验、材料高温蠕变试验、两级变温变载蠕变试验，基于两级变温变载蠕变损伤累积模型，计算得到蠕变损伤累积模型中参数p的值；根据多级变温变载蠕变载荷非线性损伤累积模型，利用参数p的值，计算多级变温变载蠕变载荷谱所造成的损伤D，基于损伤D一致原则，将多级变温变载蠕变载荷谱转化为一级最大蠕变载荷的等效加速谱，最终编制得到变温变载蠕变等效加速谱。本发明可以将大量小的蠕变载荷按照损伤等效的原则折算到大的蠕变载荷状态，极大节省蠕变试验时间。

Description

一种变温变载蠕变等效加速谱编制方法
技术领域
本发明涉及一种变温变载蠕变等效加速谱编制方法，属于高温结构强度与完整性领域。
背景技术
随着航空技术的发展，航空发动机的寿命不断延长，目前军用发动机的寿命已经达到6000小时，而民用航空发动机的寿命更是长达上万小时。传统全寿命试车方法已经远远满足不了试车需求，进行一次全寿命试车将花费数月甚至数年，存在成本高、周期长等弊端。因此，必须要在全寿命试车谱的基础上编制得到加速谱。
对于航空发动机涡轮叶片、轮盘、喷嘴环等关键件，经常承受变温变载蠕变载荷的影响，并最终产生蠕变损伤，导致断裂。因此，在编制加速谱时，必须将长时间的变温变载蠕变载荷等效折算到大的蠕变载荷状态，从而缩短试车时间。但是目前存在的蠕变载荷等效折算方法普遍存在精度低，方法繁杂，没有充足的科学依据等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种变温变载蠕变等效加速谱编制方法，以更为简单精确地编制变温变载蠕变等效加速谱。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种变温变载蠕变等效加速谱编制方法，包括如下步骤：
步骤1，通过材料高温拉伸试验获得不同温度Ti下对应的抗拉强度σbi，其中i＝1,2,3......,n；
步骤2，通过材料高温蠕变试验获得在不同的应力温度(σi,Ti)组合下对应的蠕变断裂时间tfi；
步骤3，通过两级变温变载蠕变试验获得每级载荷对应的蠕变持续时间ti；
步骤4，基于两级变温变载蠕变损伤累积模型，结合步骤1得到的抗拉强度σb1、σb2，步骤2得到的蠕变断裂时间tf1、tf2，步骤3得到的蠕变持续时间t1、t2，计算得到蠕变损伤累积模型中参数P的值；
步骤5，根据多级变温变载蠕变载荷非线性损伤累积模型，利用步骤4得到的参数P的值，计算多级变温变载蠕变载荷谱所造成的损伤D，基于损伤D一致原则，将多级变温变载蠕变载荷谱转化为一级最大蠕变载荷的等效加速谱，最终编制得到变温变载蠕变等效加速谱。
所述步骤1中，材料高温拉伸试验在电液伺服疲劳试验机上进行。
所述步骤2中，材料高温蠕变试验在蠕变试验机上进行，进行一系列不同应力温度(σi,Ti)组合下的材料高温蠕变试验。
所述步骤3中，根据高温蠕变试验结果，在蠕变试验机上进行两级变温变载蠕变试验，直到发生断裂，记录下每级载荷对应的蠕变持续时间ti。
所述步骤4中，两级变温变载蠕变损伤累积模型为：
Figure BDA0002856442800000021
其中，
Figure BDA0002856442800000022
所述步骤4中，P取多组试验下的平均值。
所述步骤5中，多级变温变载蠕变载荷非线性损伤累积模型为：
Figure BDA0002856442800000023
其中，
Figure BDA0002856442800000024
所述步骤5中，设多级变温变载蠕变载荷谱中蠕变载荷最大状态为(σ2,T2)，则根据损伤D等效的原则，即：
Figure BDA0002856442800000025
将其它较小的蠕变载荷状态等效加速到蠕变载荷最大的(σ2,T2)状态，原多级变温变载蠕变载荷谱的持续时间可由t1+t2+…+tn加速到蠕变等效加速谱的tequal，从而编制得到变温变载蠕变等效加速谱。
有益效果：本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明提出的一种变温变载蠕变等效加速谱编制方法，只需进行高温拉伸试验、高温蠕变试验以及一定数量的变温变载蠕变试验，获得对应温度下的抗拉强度σbi、对应应力温度下的蠕变断裂时间tfi以及各级载荷作用的蠕变持续时间ti，所需参数少，试验简单，成本低；
2、本发明提出的一种变温变载蠕变等效加速谱编制方法，采用了非线性蠕变损伤累积模型，基于损伤等效的原则编制蠕变等效加速谱；
3、本发明提出的一种变温变载蠕变等效加速谱编制方法，可应用于工程中常见的金属、合金等材料，适用性强，具有极强的推广性。
附图说明
图1是多级变温变载蠕变载荷谱；
图2是变温变载蠕变等效加速谱；
图3是两级变温变载蠕变载荷谱；
图4是三级变温变载蠕变载荷谱；
图5是编制的变温变载蠕变等效加速谱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
本发明的一种变温变载蠕变等效加速谱编制方法，包括如下步骤：
步骤1，通过材料高温拉伸试验获得不同温度Ti下对应的抗拉强度σbi，其中i＝1,2,3......,n。
步骤2，通过进行一系列不同应力温度(σi,Ti)组合下的材料高温蠕变试验，获得在不同的应力温度(σi,Ti)组合下对应的蠕变断裂时间tfi。
步骤3，根据高温蠕变试验结果，在蠕变试验机上进行两级变温变载蠕变试验，直到发生断裂，记录下每级载荷对应的蠕变持续时间ti。
步骤4，基于两级变温变载蠕变损伤累积模型：
Figure BDA0002856442800000041
其中，
Figure BDA0002856442800000042
结合步骤1得到的抗拉强度σb1、σb2，步骤2得到的蠕变断裂时间tf1、tf2，步骤3得到的蠕变持续时间t1、t2，并利用两级变温变载蠕变试验中施加的应力σ1、σ2，将σb1、σb2、tf1、tf2、t1、t2、σ1、σ2代入到两级变温变载蠕变损伤累积模型中，求得指数项中参数p的值。为减小材料数据分散性引起的误差，可开展一定数量的两级变温变载蠕变试验(例如开展三组两级变温变载蠕变试验)，进而得到不同的参数p的值，最终对参数p值取平均值作为终值。
步骤5，基于多级变温变载蠕变载荷非线性损伤累积模型：
Figure BDA0002856442800000043
其中
Figure BDA0002856442800000044
利用步骤4得到的参数p值，将该p值代入多级变温变载蠕变载荷非线性损伤累积模型，则可以计算如图1所示的多级变温变载蠕变载荷谱造成的损伤D。设多级变温变载蠕变载荷谱中蠕变载荷最大状态为(σ2,T2)，则根据损伤D等效的原则，即：
Figure BDA0002856442800000045
将其他较小的蠕变载荷状态等效加速到蠕变载荷最大的(σ2,T2)状态。原多级变温变载蠕变载荷谱的持续时间可由t1+t2+…+tn加速到蠕变等效加速谱的tequal，从而编制得到变温变载蠕变等效加速谱，如图2所示。
其中，材料高温拉伸试验在电液伺服疲劳试验机上进行，材料高温蠕变试验、两级变温变载蠕变试验在蠕变试验机上进行。两级变温变载蠕变试验采用人工手动或电脑控制方式实现应力和温度的变化。材料高温拉伸试验目的在于获得材料在温度Ti下对应的抗拉强度σbi。料高温蠕变试验分别在一系列不同的应力温度(σi,Ti)组合条件下进行，直到材料发生蠕变断裂，获得在不同应力温度(σi,Ti)条件下对应的蠕变断裂时间tfi。材料变温变载蠕变试验在蠕变试验机上进行，开展一定数量的两级应力温度组合下的变温变载蠕变试验，每一级温度应力(σi,Ti)组合下的蠕变持续时间为ti，直到材料发生蠕变断裂。所施加的两级变温变载蠕变载荷谱如图3所示。
下面结合实施例做进一步说明。
实施例
在本实施例中，将本发明提出的变温变载蠕变等效加速谱编制方法应用到X8CrNiMoNb-16-16材料蠕变等效加速谱编制中，包括以下步骤：
(1)在700℃下进行X8CrNiMoNb-16-16材料高温拉伸试验，得到700℃下的抗拉强度σb＝313MPa。
(2)在700℃下分别进行应力为σ1＝150MPa和σ2＝170MPa的高温蠕变试验，得到对应的蠕变断裂时间，记为tf1＝447h和tf2＝200h。
(3)在700℃下进行一定数量的两级变载蠕变试验，先在应力为σ1下蠕变t1时间，随后在应力σ2下蠕变t2时间，直到发生蠕变断裂。进行多组不同t1时间值的变载蠕变试验，分别记录下相对应的t2值。试验数据如表1所示。
表1 X8CrNiMoNb-16-16在700℃下两级变载蠕变试验数据
Figure BDA0002856442800000051
Figure BDA0002856442800000061
(4)基于步骤1得到的抗拉强度σb＝313MPa，步骤2得到的tf1＝447h、tf2＝200h，步骤3得到的两级变载蠕变试验数据以及两级变温变载蠕变损伤累积模型
Figure BDA0002856442800000062
其中
Figure BDA0002856442800000063
可以计算得到一系列的p值，分别为-0.5385、-0.5365、-0.5783、-0.5605、-0.5694、-0.5627、-0.5406、-0.5387，取平均值得到p的终值为：p＝0.5532。
(5)将p＝0.5532代入多级变温变载蠕变载荷非线性损伤累积模型中，得到X8CrNiMoNb-16-16材料的蠕变非线性损伤累积模型为：
Figure BDA0002856442800000064
其中，
Figure BDA0002856442800000065
利用该模型，可以计算得到如图4所示的三级变温变载蠕变载荷谱造成的损伤D为0.757.基于损伤等效原则，将三级变温变载蠕变载荷谱等效折算到最大蠕变载荷(170MPa,700℃)状态下，即：
Figure BDA0002856442800000066
得到tequal＝151h。编制得到的变温变载蠕变等效加速谱如图5所示，可以看出，蠕变等效加速谱在损伤一致的条件下，将试验时间由原来的215小时缩短至151小时，缩短了64小时，加速谱加载时间仅为原来的70％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，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 (6)

1.一种变温变载蠕变等效加速谱编制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，通过材料高温拉伸试验获得不同温度Ti下对应的抗拉强度σbi，其中i＝1,2,3......,n；
步骤2，通过材料高温蠕变试验获得在不同的应力温度(σi,Ti)组合下对应的蠕变断裂时间tfi；
步骤3，通过两级变温变载蠕变试验获得每级载荷对应的蠕变持续时间ti；
步骤4，基于两级变温变载蠕变损伤累积模型，结合步骤1得到的抗拉强度σb1、σb2，步骤2得到的蠕变断裂时间tf1、tf2，步骤3得到的蠕变持续时间t1、t2，计算得到蠕变损伤累积模型中参数p的值；
两级变温变载蠕变损伤累积模型为：
Figure FDA0003454086080000011
其中，
Figure FDA0003454086080000012
步骤5，根据多级变温变载蠕变载荷非线性损伤累积模型，利用步骤4得到的参数p的值，计算多级变温变载蠕变载荷谱所造成的损伤D，基于损伤D一致原则，将多级变温变载蠕变载荷谱转化为一级最大蠕变载荷的等效加速谱，最终编制得到变温变载蠕变等效加速谱；
多级变温变载蠕变载荷非线性损伤累积模型为：
Figure FDA0003454086080000013
其中，
Figure FDA0003454086080000014
设多级变温变载蠕变载荷谱中蠕变载荷最大状态为(σ2,T2)，则根据损伤D一致原则，即：
Figure FDA0003454086080000021
将其它较小的蠕变载荷状态等效加速到蠕变载荷最大的(σ2,T2)状态，原多级变温变载蠕变载荷谱的持续时间可由t1+t2+…+tn加速到蠕变等效加速谱的tequal，从而编制得到变温变载蠕变等效加速谱。
2.根据权利要求1所述的变温变载蠕变等效加速谱编制方法，其特征在于：所述步骤1中，材料高温拉伸试验在电液伺服疲劳试验机上进行。
3.根据权利要求1所述的变温变载蠕变等效加速谱编制方法，其特征在于：所述步骤2中，材料高温蠕变试验在蠕变试验机上进行，进行一系列不同应力温度(σi,Ti)组合下的材料高温蠕变试验。
4.根据权利要求1所述的变温变载蠕变等效加速谱编制方法，其特征在于：所述步骤3中，根据高温蠕变试验结果，在蠕变试验机上进行两级变温变载蠕变试验，直到发生断裂，记录下每级载荷对应的蠕变持续时间ti。
5.根据权利要求4所述的变温变载蠕变等效加速谱编制方法，其特征在于：所述步骤3中，两级变温变载蠕变试验采用人工手动或电脑控制方式实现应力和温度的变化。
6.根据权利要求1所述的变温变载蠕变等效加速谱编制方法，其特征在于：所述步骤4中，p取多组试验下的平均值。
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