CN114239175B - 基于非线性蠕变-疲劳交互作用的高温结构件寿命预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于非线性蠕变‑疲劳交互作用的高温结构件寿命预测方法，包括以下步骤：构建寿命预测模型，寿命预测模型用于通过获取基于门槛应力的第一蠕变损伤，以及基于平均应力的第二疲劳损伤，对高温结构件进行寿命预测；通过获取高温结构件的蠕变断裂应变能、弹性模量、应力水平、峰值应变保持时间，获取第一蠕变损伤；通过获取高温结构件在蠕变‑疲劳条件下的塑性应变范围和平均应力、在纯疲劳条件下的塑性硬化指数，以及高温结构件的材料常数，获取第二疲劳损伤；基于寿命预测模型，根据第一蠕变损伤和第二疲劳损伤，对高温结构件进行寿命预测；本发明解决双线性蠕变‑疲劳寿命预测方法的局限性，对材料蠕变‑疲劳寿命的预测精度较高。
Description
技术领域
本申请涉及材料蠕变-疲劳寿命预测技术领域，具体而言，涉及 基于非线性蠕变-疲劳交互作用的高温结构件寿命预测方法。
背景技术
高温结构件常常在复杂、严苛的工作条件下服役，如核电、石油 化工等领域中的过(再)热器、航空发动机涡轮转子等。这些部件不 仅承受启动和停机检修等过程中出现的周期性热机械循环载荷(疲劳 损伤)，还要承受由长时高温运行带来的稳定载荷(蠕变损伤)。这 些情况会导致材料随着服役时间的增加而产生劣化和损伤，并逐渐降 低设备运行的稳定性以及安全性。因此，如何准确评估高温结构件在 蠕变-疲劳作用下的损伤交互行为，建立精准可靠的蠕变-疲劳寿命预 测方法具有深远的现实意义。
目前针对蠕变-疲劳交互作用下寿命预测方法的研究主要集中在 双线性损伤框架下，认为蠕变-疲劳过程中的疲劳损伤与相同条件下 的纯疲劳试验一致，蠕变损伤依据保载过程中的应力松弛曲线通过时 间积分获得。然而，双线性框架中将蠕变损伤和疲劳损伤单独进行计 算，忽略了两者之间的交互作用，导致预测得到的寿命过于保守，在 实际使用时会造成资源浪费和较大的经济损失。同时，蠕变损伤计算 过程忽略了不同应力条件下蠕变机制的差异，导致预测结果出现较大 偏差。因此，考虑蠕变-疲劳损伤的非线性交互作用机制，研究基于 非线性蠕变-疲劳交互作用的高温结构件寿命预测方法对于评估蠕变-疲劳过程中蠕变损伤和疲劳损伤的累积，精确预测蠕变-疲劳寿命具 有重要意义。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于针对蠕变-疲劳交互作用 条件下寿命预测发展需求，提出了一种非线性蠕变-疲劳寿命预测方 法，该方法可有效地解决现有蠕变-疲劳寿命预测方式误差较大的问 题，为应用在高温高压条件下重要部件的蠕变-疲劳性能评估提供一 种新的方法。
为了实现上述技术目的，本发明提供了基于非线性蠕变-疲劳交 互作用的高温结构件寿命预测方法，包括以下步骤：
构建寿命预测模型，寿命预测模型用于通过获取基于门槛应力的 第一蠕变损伤，以及基于平均应力的第二疲劳损伤，对高温结构件进 行寿命预测；
通过获取高温结构件的蠕变断裂应变能、弹性模量、应力水平、 峰值应变保持时间，获取第一蠕变损伤；
通过获取高温结构件在蠕变-疲劳条件下的塑性应变范围和平均 应力、在纯疲劳条件下的塑性硬化指数，以及高温结构件的材料常数， 获取第二疲劳损伤；
基于寿命预测模型，根据第一蠕变损伤和第二疲劳损伤，对高温 结构件进行寿命预测。
优选地，在构建寿命预测模型的过程中，寿命预测模型的模型表 达式为：
其中，Dc表示第一蠕变损伤，Df表示第二疲劳损伤。
优选地，在获取第一蠕变损伤的过程中，第一蠕变损伤的表达式 为：
其中，σ表示应力水平，E表示弹性模量，Wf表示蠕变断裂应变 能，t表示峰值应变保持时间，σ0表示纯蠕变条件下的蠕变门槛应力，
表示峰值应变保持阶段的应力松弛速率。
优选地，在获取第一蠕变损伤的过程中，基于纯蠕变条件下，根 据不同温度下高温结构件的屈服强度σ0.2以及应力水平，获取蠕变断 裂应变能；
蠕变断裂应变能的表达式为：
其中，Wf，max和Wf，min表示最大蠕变断裂应变能和最小蠕变断裂应变 能，B和λ表示高温结构件的材料参数。
优选地，在获取第一蠕变损伤的过程中，蠕变门槛应力的表达式 为：
其中，
表示纯蠕变条件下最小蠕变速率，
和n1表示高温结构 件的第一材料常数。
优选地，在获取第二疲劳损伤的过程中，第二疲劳损伤的方程表 达式为：
其中，Δεp表示蠕变-疲劳条件下的塑性应变范围，n2表示纯疲劳 条件下的塑性硬化指数，C和γ表示高温结构件的第二材料常数，σm表示蠕变-疲劳试验条件下的平均应力，Nf表示纯疲劳试验条件下的 疲劳寿命。
优选地，在获取第二疲劳损伤的过程中，纯疲劳试验条件下的疲 劳寿命的表达式为：
优选地，在获取第二蠕变损伤的过程中，利用Ramberg-Osgood 关系，通过获得纯疲劳条件下半寿命处的塑性应变范围与应力范围 Δσ的关系，确定塑性硬化指数；
其中，塑性硬化指数的表达式为：
其中，K’表示高温结构件的第三材料常数。
优选地，在对高温结构件进行寿命预测的过程中，高温结构件为 高温耐热材料，其服役温度范围为550-950℃。
优选地，用于实现高温结构件寿命预测方法的高温结构件寿命预 测系统，包括：
预测模型构建模块，用于构建寿命预测模型，寿命预测模型用于 通过获取基于门槛应力的第一蠕变损伤，以及基于平均应力的第二疲 劳损伤，对高温结构件进行寿命预测；
第一数据处理模块，用于通过获取高温结构件的蠕变断裂应变 能、弹性模量、应力水平、峰值应变保持时间，获取第一蠕变损伤；
第二数据处理模块，用于通过获取高温结构件在蠕变-疲劳条件 下的塑性应变范围和平均应力、在纯疲劳条件下的塑性硬化指数，以 及高温结构件的材料常数，获取第二疲劳损伤；
寿命预测模块，用于基于寿命预测模型，根据第一蠕变损伤和第 二疲劳损伤，对高温结构件进行寿命预测。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明是基于蠕变门槛应力与疲劳平均应力的非线性蠕变-疲 劳寿命预测方法，解决双线性蠕变-疲劳寿命预测方法的局限性，对 材料蠕变-疲劳寿命的预测精度较高；
2.本发明考虑了蠕变门槛应力导致的材料断裂机制转变；
3.本发明考虑了疲劳平均应力导致的裂纹闭合效应；
4.本发明考虑了蠕变-疲劳条件下蠕变损伤与疲劳损伤的非线性 相互作用；
5.通过验证，采用本发明进行蠕变-疲劳寿命预测具有良好的效 果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面 将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描 述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来 讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他 的附图。
图1是本发明中蠕变-疲劳试验下的寿命预测方法研究路线示意 图；
图2是纯蠕变条件下不同温度下屈服强度σ0.2、应力σ以及蠕变断 裂应变能Wf关系图；
图3是纯疲劳试验条件下的峰值应力σmax、塑性应变范围εp以 及疲劳寿命Nf关系图；
图4是纯蠕变试验条件下最小蠕变速率
与应力水平σ关系图；
图5是纯疲劳试验条件下半寿命处塑性应变范围Δεp与应力范围 Δσ关系图；
图6是本发明提出的蠕变-疲劳寿命预测结果与试验结果对比 图。
具体实施方式
下为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将 结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、 完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而 不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的 组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提 供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的 范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本 领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实 施例，都属于本申请保护的范围。
如图1-6所示，本发明提供了基于非线性蠕变-疲劳交互作用的 高温结构件寿命预测方法，包括以下步骤：
构建寿命预测模型，寿命预测模型用于通过获取基于门槛应力的 第一蠕变损伤，以及基于平均应力的第二疲劳损伤，对高温结构件进 行寿命预测；
通过获取高温结构件的蠕变断裂应变能、弹性模量、应力水平、 峰值应变保持时间，获取第一蠕变损伤；
通过获取高温结构件在蠕变-疲劳条件下的塑性应变范围和平均 应力、在纯疲劳条件下的塑性硬化指数，以及高温结构件的材料常数， 获取第二疲劳损伤；
基于寿命预测模型，根据第一蠕变损伤和第二疲劳损伤，对高温 结构件进行寿命预测。
进一步优选地，在构建寿命预测模型的过程中，寿命预测模型的 模型表达式为：
其中，Dc表示第一蠕变损伤，Df表示第二疲劳损伤。
进一步优选地，在获取第一蠕变损伤的过程中，第一蠕变损伤的 表达式为：
其中，σ表示应力水平，E表示弹性模量，Wf表示蠕变断裂应变 能，t表示峰值应变保持时间，σ0表示纯蠕变条件下的蠕变门槛应 力，
表示峰值应变保持阶段的应力松弛速率。
进一步优选地，在获取第一蠕变损伤的过程中，基于纯蠕变条件 下，根据不同温度下高温结构件的屈服强度σ0.2以及应力水平，获取 蠕变断裂应变能；
蠕变断裂应变能的表达式为：
其中，Wf，max和Wf，min表示最大蠕变断裂应变能和最小蠕变断裂应变 能，B和λ表示高温结构件的材料参数。
进一步优选地，在获取第一蠕变损伤的过程中，蠕变门槛应力的 表达式为：
其中，
表示纯蠕变条件下最小蠕变速率，
和n1表示高温结构 件的第一材料常数。
进一步优选地，在获取第二疲劳损伤的过程中，第二疲劳损伤的 方程表达式为：
其中，Δεp表示蠕变-疲劳条件下的塑性应变范围，n2表示纯疲劳 条件下的塑性硬化指数，C和γ表示高温结构件的第二材料常数，σm表示蠕变-疲劳试验条件下的平均应力，Nf表示纯疲劳试验条件下的 疲劳寿命。
进一步优选地，在获取第二疲劳损伤的过程中，纯疲劳试验条件 下的疲劳寿命的表达式为：
进一步优选地，在获取第二疲劳损伤的过程中，利用 Ramberg-Osgood关系，通过获得纯疲劳条件下半寿命处的塑性应变 范围与应力范围Δσ的关系，确定塑性硬化指数；
其中，塑性硬化指数的表达式为：
其中，K’表示高温结构件的第三材料常数。
进一步优选地，在对高温结构件进行寿命预测的过程中，高温结 构件为高温耐热材料，其服役温度范围为550-950℃。
进一步优选地，用于实现高温结构件寿命预测方法的高温结构件 寿命预测系统，包括：
预测模型构建模块，用于构建寿命预测模型，寿命预测模型用于 通过获取基于门槛应力的第一蠕变损伤，以及基于平均应力的第二疲 劳损伤，对高温结构件进行寿命预测；
第一数据处理模块，用于通过获取高温结构件的蠕变断裂应变 能、弹性模量、应力水平、峰值应变保持时间，获取第一蠕变损伤；
第二数据处理模块，用于通过获取高温结构件在蠕变-疲劳条件 下的塑性应变范围和平均应力、在纯疲劳条件下的塑性硬化指数，以 及高温结构件的材料常数，获取第二疲劳损伤；
寿命预测模块，用于基于寿命预测模型，根据第一蠕变损伤和第 二疲劳损伤，对高温结构件进行寿命预测。
实施例1：请参阅图1所示，本发明提供的高温结构件寿命预测 方法，包括：基于门槛应力的蠕变损伤预测方法、基于平均应力的疲 劳损伤预测方法和非线性交互作用条件下蠕变-疲劳寿命预测方法。 本发明通过纯蠕变试验、纯疲劳试验以及蠕变-疲劳试验做进一步说 明，试验材料为P91马氏体耐热钢，试验温度为550℃，蠕变-疲劳 试验采用应变加载，并在峰值应变处保持，加载波形为梯形波。
步骤(1)，提出一种蠕变-疲劳试验条件下基于非线性蠕变-疲 劳交互作用的寿命预测方式：
其中Dc是基于门槛应力的蠕变损伤，Df是基于平均应力的蠕变 损伤。Dc和Df的具体表达式如下：
其中σ是应力水平，E是弹性模量，Wf是蠕变断裂应变能，Δεp是 蠕变-疲劳试验条件下的塑性应变范围，n2是纯疲劳条件下的塑性硬 化指数，C和γ是材料常数，σm是蠕变-疲劳试验条件下的平均应力， t是峰值应变保持时间。
步骤(2)，建立纯蠕变条件下基于不同温度下屈服强度σ0.2以及 应力水平σ的蠕变断裂应变能Wf的计算方法，如图2所示。P91钢蠕 变断裂应变能模型参数如表1所示。
其中Wf，max和Wf，min是最大蠕变断裂应变能和最小蠕变断裂应变能， B和λ是材料参数。
表1
步骤(3)，建立纯疲劳试验条件下基于峰值应力σmax、塑性应变 范围Δεp以及平均应力σm的疲劳寿命Nf计算方法，如图3所示。550℃ 条件下P91钢材料常数C和γ分别为73.9和0.567。
其中C和γ是材料常数，σm是平均应力，其数值为峰值应力与谷 值应力之和的平均值。
步骤(4)，利用纯蠕变试验数据获得蠕变门槛应力σ0，如图4 所示。550℃条件下P91钢蠕变门槛应力σ0为145MPa。
其中
和σ是纯蠕变试验条件下最小蠕变速率与应力水平，
和 n1是材料常数。
步骤(5)，利用Ramberg-Osgood关系(Ramberg，W.，and Osgood， W.R.(1943).Description of stress-strain curves by three parameters.Technical NoteNo.902，National Advisory Committee For Aeronautics，Washington DC.)获得纯疲劳试验条件下半寿命 处塑性应变范围Δεp与应力范围Δσ的关系，确定塑性硬化指数n2，如图5所示。550℃条件下P91钢塑性硬化指数n2为0.13718。
其中K’是材料常数。
步骤(6)，将步骤(2)至步骤(5)中计算得到的材料参数代 入步骤(1)中，通过计算得到基于蠕变门槛应力与疲劳平均应力的 非线性蠕变-疲劳预测寿命。为了验证本发明提出的基于蠕变门槛应 力与疲劳平均应力的非线性蠕变-疲劳寿命预测方法的效果，将本方法预测得到的550℃条件下P91钢蠕变-疲劳寿命预测结果与试验结 果进行对比，如图6所示。预测寿命与试验结果的误差分散在1.3倍 误差带之内。因此，本发明提出的基于蠕变门槛应力与疲劳平均应力 的非线性蠕变-疲劳寿命预测方法可以较好的预测高温蠕变-疲劳寿 命寿命。
Claims (7)
1.基于非线性蠕变-疲劳交互作用的高温结构件寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
构建寿命预测模型，所述寿命预测模型用于通过获取基于门槛应力的第一蠕变损伤，以及基于平均应力的第二疲劳损伤，对高温结构件进行寿命预测；
通过获取所述高温结构件的蠕变断裂应变能、弹性模量、应力水平、峰值应变保持时间，获取所述第一蠕变损伤；
通过获取所述高温结构件在蠕变-疲劳条件下的塑性应变范围和所述平均应力、在纯疲劳条件下的塑性硬化指数，以及所述高温结构件的材料常数，获取所述第二疲劳损伤；
基于所述寿命预测模型，根据所述第一蠕变损伤和所述第二疲劳损伤，对所述高温结构件进行寿命预测；
在构建寿命预测模型的过程中，所述寿命预测模型的模型表达式为：
其中，Dc表示第一蠕变损伤，Df表示第二疲劳损伤；
在获取所述第一蠕变损伤的过程中，所述第一蠕变损伤的表达式为：
其中，σ表示应力水平，E表示弹性模量，Wf表示蠕变断裂应变能，t表示峰值应变保持时间，σ0表示纯蠕变条件下的蠕变门槛应力，
表示峰值应变保持阶段的应力松弛速率，Wf，max表示最大蠕变断裂应变能；
在获取所述第二疲劳损伤的过程中，所述第二疲劳损伤的方程表达式为：
其中，Δεp表示蠕变-疲劳条件下的塑性应变范围，n2表示纯疲劳条件下的塑性硬化指数，C和γ表示所述高温结构件的第二材料常数，σm表示蠕变-疲劳试验条件下的平均应力，Nf表示纯疲劳试验条件下的疲劳寿命，σmax表示峰值应力。
2.根据权利要求1所述基于非线性蠕变-疲劳交互作用的高温结构件寿命预测方法，其特征在于：
在获取所述第一蠕变损伤的过程中，基于纯蠕变条件下，根据不同温度下所述高温结构件的屈服强度σ0.2以及所述应力水平，获取蠕变断裂应变能；
所述蠕变断裂应变能的表达式为：
其中，Wf,max和Wf,min表示最大蠕变断裂应变能和最小蠕变断裂应变能，B和λ表示所述高温结构件的材料参数。
3.根据权利要求2所述基于非线性蠕变-疲劳交互作用的高温结构件寿命预测方法，其特征在于：
在获取所述第一蠕变损伤的过程中，所述蠕变门槛应力的表达式为：
其中，
表示纯蠕变条件下最小蠕变速率，
和n1表示所述高温结构件的第一材料常数。
4.根据权利要求3所述基于非线性蠕变-疲劳交互作用的高温结构件寿命预测方法，其特征在于：
在获取所述第二疲劳损伤的过程中，所述纯疲劳试验条件下的疲劳寿命的表达式为：
5.根据权利要求4所述基于非线性蠕变-疲劳交互作用的高温结构件寿命预测方法，其特征在于：
在获取所述第二疲劳损伤的过程中，利用Ramberg-Osgood关系，通过获得纯疲劳条件下半寿命处的所述塑性应变范围与应力范围Δσ的关系，确定所述塑性硬化指数；
其中，所述塑性硬化指数的表达式为：
其中，K’表示所述高温结构件的第三材料常数。
6.根据权利要求5所述基于非线性蠕变-疲劳交互作用的高温结构件寿命预测方法，其特征在于：
在对所述高温结构件进行寿命预测的过程中，所述高温结构件为高温耐热材料，其服役温度范围为550-950℃。
7.根据权利要求6所述基于非线性蠕变-疲劳交互作用的高温结构件寿命预测方法，其特征在于：
用于实现如权利要求1-6任一权利要求所述的高温结构件寿命预测方法的高温结构件寿命预测系统，包括：
预测模型构建模块，用于构建所述寿命预测模型，所述寿命预测模型用于通过获取基于门槛应力的第一蠕变损伤，以及基于平均应力的第二疲劳损伤，对高温结构件进行寿命预测；
第一数据处理模块，用于通过获取所述高温结构件的蠕变断裂应变能、弹性模量、应力水平、峰值应变保持时间，获取所述第一蠕变损伤；
第二数据处理模块，用于通过获取所述高温结构件在蠕变-疲劳条件下的塑性应变范围和所述平均应力、在纯疲劳条件下的塑性硬化指数，以及所述高温结构件的材料常数，获取所述第二疲劳损伤；
寿命预测模块，用于基于所述寿命预测模型，根据所述第一蠕变损伤和所述第二疲劳损伤，对所述高温结构件进行寿命预测。
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