CN114065576B - 一种蠕变疲劳载荷下缺口部件的缺口效应评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种蠕变疲劳载荷下缺口部件的缺口效应评价方法，包括：S1获取缺口部件的设计工况参数；S2获得材料性能参数；S3计算缺口部件应力应变响应；S4计算蠕变当量应力和应变幅；S5计算缺口部件单个周次的蠕变损伤和疲劳损伤；S6获得蠕变‑疲劳交互作用图；S7计算缺口部件的许用蠕变‑疲劳失效周次Ncf,n；S8计算光滑部件的许用蠕变‑疲劳失效周次Ncf,s；S9比较Ncf,n和Ncf,s，如果Ncf,n>Ncf,s，则为缺口强化效应，如果Ncf,n<Ncf,s，则为缺口削弱效应。本发明的缺口效应评价方法，实现了缺口部件与光滑试样蠕变‑疲劳强度的联合计算分析，可准确评估高温部件的缺口效应问题。
Description
技术领域
本发明涉及高温结构蠕变疲劳强度评价与考核领域，更具体地涉及一种蠕变疲劳载荷下缺口部件的缺口效应评价方法。
背景技术
近年来，先进核电、能源化工等领域缺口部件的服役温度不断提升、载荷工况日趋复杂化。以第4代核电典型堆型(快堆)为例，其主容器服役温度高达550℃、设计寿命长达40年；同时，设备服役过程中面临复杂的启停、瞬态等运行工况。可以预见，蠕变-疲劳失效模式是高温结构强度设计需要重点关注的内容。
研究表明，蠕变-疲劳载荷下，高温缺口部件的寿命可能大于或者小于光滑部件，但如何建立高温缺口部件的缺口效应表征方法仍未取得关键进展。现有技术中，常采用基于规范的蠕变-疲劳强度表征方法，例如高温堆、实验堆以及ITER核电厂核岛机械设备设计和建造规范(即RCC-MRx规范)等，其采用最大应力/应变处的结果进行蠕变损伤和疲劳损伤计算，但是其并不能代表结构整体的蠕变损伤和疲劳损伤状态，即，其仅能得到高温缺口部件寿命小于光滑部件的结论，而无法精确描述高温缺口部件的缺口强化效应问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种蠕变疲劳载荷下缺口部件的缺口效应评价方法，以同时实现缺口对缺口部件增强与削弱效应的精确描述。
本发明提供一种蠕变疲劳载荷下缺口部件的缺口效应评价方法，包括以下步骤：
S1：获取缺口部件的设计工况参数；
S2：根据所述设计工况参数，获得所述缺口部件的材料性能参数；
S3：根据所述设计工况参数和材料性能参数，采用有限元分析方法对缺口部件进行应力应变分析，得到最大主应力、静水压力、等效应力、总应变最大值和最小值；
S4：计算所述缺口部件的蠕变当量应力和应变幅；
S5：根据缺口部件材料的蠕变断裂寿命曲线和疲劳设计曲线，分别由蠕变当量应力和应变幅确定许用的蠕变断裂寿命与许用的疲劳失效周次；并计算缺口部件单个周次的蠕变损伤和疲劳损伤；
S6：获得缺口部件材料的蠕变-疲劳交互作用图；
S7：根据缺口部件单个周次的蠕变损伤和疲劳损伤，结合材料的蠕变-疲劳交互作用图，计算缺口部件的许用蠕变-疲劳失效周次；
S8：在与缺口部件相同的断面平均应力水平下，计算光滑部件的单个周次的许用蠕变-疲劳失效周次；
S9：比较缺口部件和光滑部件的许用蠕变-疲劳失效周次，如果缺口部件的许用蠕变-疲劳失效周次大于光滑部件的许用蠕变-疲劳失效周次，则为缺口强化效应，如果缺口部件的许用蠕变-疲劳失效周次小于光滑部件的许用蠕变-疲劳失效周次，则为缺口削弱效应。
进一步地，所述设计工况参数包括设计温度、设计载荷、设计寿命以及缺口部件的材料和结构尺寸。
进一步地，所述材料性能参数包括Norton-Bailey本构方程、弹性模量和泊松比、塑性应力应变关系曲线。
进一步地，所述Norton-Bailey本构方程采用高温圆棒拉伸蠕变测试获得。
进一步地，所述弹性模量和泊松比采用动态热机械分析仪测试获得。
进一步地，所述应力应变曲线采用高温圆棒拉伸测试获得。
进一步地，所述蠕变当量应力满足如下关系式：
σeff,n＝k×σ1+3lσm+(1-k-l)×σvm
其中，σ1为最大主应力，σm为静水压力，σvm为等效应力，k、l为多轴材料参数。
进一步地，所述多轴材料参数通过缺口部件的蠕变实验获得。
进一步地，蠕变当量应变幅满足如下关系式：
其中，εa,n为蠕变当量应变幅，εmax为总应变最大值，εmin为总应变最小值。
进一步地，所述蠕变断裂寿命曲线和疲劳设计曲线分别通过不同应力水平下光滑部件的蠕变试验和疲劳试验获得。
本发明的蠕变疲劳载荷下缺口部件的缺口效应评价方法，通过有限元分析获得缺口部件和光滑部件的应力应变响应，然后根据应力应变响应、蠕变断裂寿命曲线、疲劳设计曲线和蠕变-疲劳交互作用图，实现了缺口部件与光滑试样蠕变-疲劳强度的联合计算分析，可准确评估高温部件的缺口效应问题。特别是，避免了现有方法仅可表征缺口部件削弱效应的问题，可以同时实现缺口对部件增强与削弱效应的准确描述。本发明的蠕变-疲劳载荷下的缺口部件强度表征方法，突破了纯蠕变、纯疲劳载荷下的应用限制，解决了蠕变-疲劳载荷下高温部件缺口效应定量表征的问题。
附图说明
图1为根据本发明实施例的蠕变疲劳载荷下缺口部件的缺口效应评价方法的流程图；
图2为根据本发明实施例的高温缺口部件的结构示意图；
图3是根据本发明实施例的光滑部件的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
如图1所示，本发明提供一种蠕变疲劳载荷下缺口部件的缺口效应评价方法，包括以下步骤：
S1：获取缺口部件的设计工况参数，包括设计温度T，设计载荷P，设计寿命t、保载时间、缺口部件的材料和结构尺寸；
设计工况参数由设计方确定，可从设计手册中获得。
S2：根据步骤S1的设计工况参数，获得缺口部件的材料性能参数，包括Norton-Bailey本构方程、弹性模量E和泊松比μ、塑性应力应变关系曲线；
材料性能参数可在材料性能数据库中查询获得，如果查询不到则可通过相应的材料性能试验测试获得，包括蠕变测试、动态热机械分析仪测试和拉伸测试等，其测试方法为本领域公知，此处不再赘述。
具体地，Norton-Bailey本构方程可采用高温圆棒拉伸蠕变测试获得，其满足如下关系式：
其中，为应变速率，σ为应力，A为材料常数，n为应力指数，m为时间指数。
弹性模量E和泊松比可采用动态热机械分析仪测试获得，应力应变关系曲线可采用高温圆棒拉伸测试获得。
S3：根据步骤S1中的设计工况参数和步骤S2中的材料参数，采用有限元分析方法对缺口部件进行应力应变分析，得到最大主应力(σ1)、静水压力(σm)、等效应力(σvm)、总应变最大值和最小值(εmax、εmin)等应力应变响应值；
S4：计算缺口部件的蠕变当量应力σeff,n和应变幅εa,n；
蠕变当量应力和应变幅满足如下关系式：
σeff,n＝k×σ1+3lσm+(1-k-l)×σvm
其中，k、l为多轴材料参数，可根据材料类型通过查阅文献或手册获得，对于未知材料，可以通过开展缺口部件的蠕变实验获得，具体实验流程如下：
(1)开展不同应力水平下光滑部件的蠕变实验，获得不同应力水平对应的蠕变断裂寿命；
(2)开展不同缺口部件的蠕变实验，获得对应的蠕变断裂寿命；
(3)基于缺口部件的蠕变断裂寿命，结合光滑部件蠕变断裂寿命与应力水平的关系，确定缺口部件的当量蠕变断裂应力σeff,n；
(4)开展缺口部件的有限元分析，获得缺口部件的应力应变响应，并提取最大主应力的(σ1)、静水压力(σm)、等效应力(σvm)；
(5)基于缺口部件的最大主应力的(σ1)、静水压力(σm)、等效应力(σvm)，以及确定的当量蠕变断裂应力σeff,n；通过最小二乘法或其他参数拟合等方法，即可确定未知材料的参量k和l。
S5：根据材料的蠕变断裂寿命曲线和疲劳设计曲线，分别由蠕变当量应力和应变幅确定许用的蠕变断裂寿命与许用的疲劳失效周次；基于单个周次的保载时间与循环周次数量，计算缺口部件单个周次的蠕变损伤Dc,n和疲劳损伤Df,n；
蠕变断裂寿命曲线可以通过查阅文献或手册获得，也可以通过开展光滑部件的蠕变实验获得，即：开展不同应力水平下光滑部件的蠕变实验，获得不同应力水平对应的蠕变断裂寿命，所得蠕变断裂寿命与应力水平的关系，即为蠕变断裂寿命曲线。
疲劳设计曲线可以通过查阅文献或手册获得，也可以通过开展光滑部件的疲劳实验获得，即：开展不同应变水平下光滑部件的疲劳实验，获得不同应变水平对应的疲劳失效周次，所得疲劳失效周次与应变水平的关系，即为疲劳设计曲线。
S6：确定材料的蠕变-疲劳交互作用图，可通过查询设计手册获取，例如在RCC-MRx规范中有对应于不同材料的蠕变-疲劳交互作用图；
S7：根据缺口部件单个周次的蠕变损伤Dc,n和疲劳损伤Df,n，结合材料的蠕变-疲劳交互作用图，计算缺口部件的许用蠕变-疲劳失效周次Ncf,n；其具体计算方法为本领域公知，此处不再赘述；
S8：在与缺口部件相同的断面平均应力水平下，计算光滑部件的单个周次的许用蠕变-疲劳失效周次Ncf,s；
光滑部件许用蠕变-疲劳失效周次的计算方法与缺口部件相同(即步骤S1-S7中的方法)，此处不再赘述。
S9：比较缺口部件和光滑部件的许用蠕变-疲劳失效周次，如果Ncf,n>Ncf,s，则为缺口强化效应；如果Ncf,n<Ncf,s，则为缺口削弱效应。
下面以某高温缺口部件为例，进一步说明本发明的评价方法。
S1’：首先获取该高温缺口部件的设计工况参数，包括设计温度为538℃，设计载荷为120MPa(断面平均应力为240MPa)，保载时间2000小时，部件材料为316SS，缺口部件结构见图2，其中，图中标记的参量名称数值如下：H＝25mm，R1＝4.23mm，r1＝3mm，r0＝0.6mm。
S2’：获取材料性能参数：采用静态法测试获得538℃下的弹性模量E为157GPa，泊松比μ为0.3。进行538℃下圆棒拉伸试验，测试获得0.2％塑性延伸强度RP0.2为116.5MPa，抗拉强度Rm＝441.7MPa。进行538℃下高温圆棒拉伸蠕变试验，测试获得蠕变本构方程
S3’：根据缺口部件的结构尺寸和材料性能参数，基于有限元分析方法对部件进行蠕变应力、应变分析，计算最大主应力(σ1)、静水压力(σm)、等效应力(σvm)、总应变最大值和最小值(εmax、εmin)。
S4’：计算缺口部件的蠕变当量应力σeff,n和应变幅εa,n；其中，k＝0.43、l＝0；
σeff,n＝k×σ1+0+(1-k-0)×σvm＝0.43×271.433+0.57×180.385＝219.54MPa
S5’：根据316SS材料的蠕变断裂寿命曲线和疲劳设计曲线，分别由蠕变当量应力σeff,n和应变幅εa,n，可得对应的许用蠕变断裂寿命为1.75万小时、许用的疲劳失效周次为17周次。根据寿命分数法，确定缺口部件单个周次的蠕变损伤Dc,n＝2000/17500＝0.11；根据线性累积损伤准则，疲劳损伤Df,n＝1/17＝0.0588。
S6’：通过设计手册获得316SS材料的蠕变-疲劳交互作用图；316SS的蠕变-疲劳交互作用图为双线性判据，两直线交点为(0.3,0.3)；
S7’：根据缺口部件单个周次的蠕变损伤Dc,n和疲劳损伤Df,n，结合材料的蠕变-疲劳交互作用图，计算缺口部件的许用蠕变-疲劳失效周次Ncf,n＝4；
S8’：根据与缺口部件相同的方法，计算获得光滑部件的相关数据，光滑部件的结构尺寸如图3所示：
光滑部件的蠕变当量应力σeff,s＝240MPa和应变幅εa,s＝0.13％；光滑部件单个周次的蠕变损伤Dc,s＝2000/7800＝0.256；疲劳损伤Df,s＝1/5965＝0.000168；光滑部件的许用蠕变-疲劳失效周次Ncf,s＝3。
S9’：由于Ncf,n＝4次>Ncf,s＝3次，因此为缺口增强效应。
由于缺口增强效应和削弱效应与保载时间有关，因此将上述高温缺口部件的保载时间改为200小时，其余参数不变，采用本发明的评价方法对其进行评价。具体地，其包括以下步骤：
S1”：获取设计工况参数，其与步骤S1’中相同。
S2”：获取材料性能参数，其与步骤S2’中相同。
S3”：计算出最大主应力(σ1)、静水压力(σm)、等效应力(σvm)、总应变最大值和最小值(εmax、εmin)，其中，。
S4”：确定缺口部件的蠕变当量应力σeff,n和应变幅εa,n；其值如下：
σeff,n＝k×σ1+0+(1-k-0)×σvm＝0.43×271.433+0.57×180.385＝219.54MPa；
S5”：根据316SS材料的蠕变断裂寿命曲线和疲劳设计曲线，分别由蠕变当量应力σeff,n和应变幅εa,n，可得对应的许用蠕变断裂寿命为1.75万小时、许用的疲劳失效周次为16周次。根据寿命分数法，确定缺口部件单个周次的蠕变损伤Dc,n＝200/17500＝0.011；根据线性累积损伤准则，疲劳损伤Df,n＝1/16＝0.0625。
S6”：通过设计手册确定316SS材料的蠕变-疲劳交互作用图，可查询设计手册确定；316SS的蠕变-疲劳交互作用图为双线性判据，两直线交点为(0.3,0.3)；
S7”：根据缺口部件单个周次的蠕变损伤Dc,n和疲劳损伤Df,n，结合材料的蠕变-疲劳交互作用图，计算缺口部件的许用蠕变-疲劳失效周次Ncf,n＝11；
S8”：根据与缺口部件相同的方法，计算获得光滑部件的相关数据，光滑部件的结构尺寸如图3所示；
光滑部件的蠕变当量应力σeff,s＝240MPa和应变幅εa,s＝0.13％；光滑部件单个周次的蠕变损伤Dc,s＝2000/7800＝0.256；疲劳损伤Df,s＝1/5965＝0.000168；光滑部件的许用蠕变-疲劳失效周次Ncf,s＝38；
S9”：由于Ncf,n＝11次<Ncf,s＝38次，因此为缺口弱化效应。
由此可知，本发明的蠕变疲劳载荷下缺口部件的缺口效应评价方法既可以描述缺口削弱效应，也可以描述缺口增强效应。
本发明实施例提供的蠕变疲劳载荷下缺口部件的缺口效应评价方法，实现了缺口部件与光滑试样蠕变-疲劳强度的联合计算分析，可准确评估高温部件的缺口效应问题。特别是，避免了现有方法仅可表征缺口部件削弱效应的问题，可以同时实现缺口对部件增强与削弱效应的准确描述。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
Claims (8)
1.一种蠕变疲劳载荷下缺口部件的缺口效应评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：获取缺口部件的设计工况参数；
S2：根据所述设计工况参数，获得所述缺口部件的材料性能参数；
S3：根据所述设计工况参数和材料性能参数，采用有限元分析方法对缺口部件进行应力应变分析，得到最大主应力、静水压力、等效应力、总应变最大值和最小值；
S4：计算所述缺口部件的蠕变当量应力和当量应变幅；所述蠕变当量应力满足如下关系式：
σeff,n＝k×σ1+3lσm+(1-k-l)×σvm
其中，σ1为最大主应力，σm为静水压力，σvm为等效应力，k、l为多轴材料参数；
当量应变幅满足如下关系式：
其中，εa,n为当量应变幅，εmax为总应变最大值，εmin为总应变最小值；
S5：根据缺口部件材料的蠕变断裂寿命曲线和疲劳设计曲线，分别由蠕变当量应力和应变幅确定许用的蠕变断裂寿命与许用的疲劳失效周次；并计算缺口部件单个周次的蠕变损伤和疲劳损伤；
S6：获得缺口部件材料的蠕变-疲劳交互作用图；
S7：根据缺口部件单个周次的蠕变损伤和疲劳损伤，结合材料的蠕变-疲劳交互作用图，计算缺口部件的许用蠕变-疲劳失效周次；
S8：在与缺口部件相同的断面平均应力水平下，计算光滑部件的单个周次的许用蠕变-疲劳失效周次；
S9：比较缺口部件和光滑部件的许用蠕变-疲劳失效周次，如果缺口部件的许用蠕变-疲劳失效周次大于光滑部件的许用蠕变-疲劳失效周次，则为缺口强化效应，如果缺口部件的许用蠕变-疲劳失效周次小于光滑部件的许用蠕变-疲劳失效周次，则为缺口削弱效应。
2.根据权利要求1所述的蠕变疲劳载荷下缺口部件的缺口效应评价方法，其特征在于，所述设计工况参数包括设计温度、设计载荷、设计寿命、保载时间以及缺口部件的材料和结构尺寸。
3.根据权利要求1所述的蠕变疲劳载荷下缺口部件的缺口效应评价方法，其特征在于，所述材料性能参数包括Norton-Bailey本构方程、弹性模量和泊松比、塑性应力应变关系曲线。
4.根据权利要求3所述的蠕变疲劳载荷下缺口部件的缺口效应评价方法，其特征在于，所述Norton-Bailey本构方程采用高温圆棒拉伸蠕变测试获得。
5.根据权利要求3所述的蠕变疲劳载荷下缺口部件的缺口效应评价方法，其特征在于，所述弹性模量和泊松比采用动态热机械分析仪测试获得。
6.根据权利要求3所述的蠕变疲劳载荷下缺口部件的缺口效应评价方法，其特征在于，所述塑性应力应变关系曲线采用高温圆棒拉伸测试获得。
7.根据权利要求1所述的蠕变疲劳载荷下缺口部件的缺口效应评价方法，其特征在于，所述多轴材料参数通过缺口部件的蠕变实验获得。
8.根据权利要求1所述的蠕变疲劳载荷下缺口部件的缺口效应评价方法，其特征在于，所述蠕变断裂寿命曲线和疲劳设计曲线分别通过不同应力水平下光滑部件的蠕变试验和疲劳试验获得。
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| Title |
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| 房晓光,梁晋,谢锡善,浦惠康.缺口对GH33A合金在复杂应力条件下力学行为的影响――高温合金力学冶金(11).北京科技大学学报.1988,(04),全文. * |
| 胡绪腾 ; 马晓健 ; 宋迎东 ; .含保载弹性应力循环下TA12钛合金缺口试样的蠕变疲劳损伤分析.机械工程材料.2013,(03),全文. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114065576A (zh) | 2022-02-18 |
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Legal Events
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