CN115691720B - 一种变载荷历程下的蠕变疲劳损伤计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变载历程下的蠕变疲劳损伤计算方法，步骤如下：步骤1，根据单轴蠕变疲劳试验获得材料不同应力和保载时间下的稳态应力‑应变曲线和循环寿命N_c‑f；步骤2，通过总应变能密度w_t与循环寿命N_c‑f拟合得到材料的w_t‑N_c‑f曲线；步骤3，通过材料多级变载荷蠕变疲劳试验，记录每一级的稳态应力‑应变曲线以此求得每一级应变能密度和寿命；步骤4、计算各级之间的载荷交互因子θ；步骤5、根据变载荷蠕变疲劳损伤计算模型若知道第n级载荷循环次数，可计算总损伤,若第n级载荷加载直至断裂，则可预测该级载荷循环寿命。本发明的方法能够很好地分析或评估多级蠕变疲劳载荷次序对损伤的影响，能够运用于实际发动机载荷谱下的零部件寿命计算。

Description

一种变载荷历程下的蠕变疲劳损伤计算方法

技术领域

本发明涉及高温结构强度技术领域，具体是一种变载荷历程下的蠕变疲劳损伤计算方法。

背景技术

航空发动机服役载荷下，涡轮盘承受典型的蠕变与疲劳载荷，现有研究表明，蠕变载荷与疲劳载荷存在明显的交互作用并且蠕变载荷与疲劳载荷次序不同，损伤必然也不同，而现有研究蠕变疲劳损伤累积方法主要是建立在简单梯形波下的，难以运用于实际发动机载荷谱下的零部件寿命计算，无法很好地分析或评估多级蠕变疲劳载荷次序对损伤的影响,因此需要建立变载荷历程下的蠕变疲劳损伤计算方法。

现有的变载荷下的损伤计算方法一般都只是单纯变载荷疲劳或变载荷蠕变条件下的。然而蠕变疲劳载荷具有交互作用，分别考虑单纯变载荷疲劳和单纯变载荷蠕变对结构的损伤得到的结果势必有很大误差，有必要建立一种变载荷下的蠕变疲劳损伤计算方法，同时考虑蠕变疲劳交互作用和载荷次序效应，为复杂载荷下的损伤计算提供有效支撑。

发明内容

为了弥补目前工程中的多级蠕变疲劳损伤计算方法的缺失，考虑变化的载荷历程对蠕变疲劳损伤的影响，本发明的目的是提供一种变载荷历程下的蠕变疲劳损伤计算方法及模型。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

本发明是一种变载荷历程下的蠕变疲劳损伤计算方法，包括以下步骤：

步骤1，根据单轴蠕变疲劳试验获得材料不同应力和保载时间下的稳态应力-应变曲线和循环寿命N_c-f；

步骤2，通过稳态应力-应变曲线得到非弹性应变能密度w_in和弹性应变能密度w_e，求和得到总应变能密度w_t，通过总应变能密度w_t与循环寿命N_c-f拟合得到材料的w_t-N_c-f曲线，表达式为：

其中，

w_t＝w_in+w_e

式中：m和C为与温度相关的材料参数；

步骤3，通过材料单轴多级变载荷蠕变疲劳试验，记录每一级载荷的稳态应力-应变曲线以此求得每一级的总应变能密度w_t，根据步骤2中材料的w_t-N_c-f曲线得到该级载荷下的循环寿命N_c-f；

步骤4，根据加载波形和载荷排序计算各级之间的载荷交互因子θ，载荷交互因子θ表达式为：

式中，σ_max为最大应力，T_ht为在最大应力时的上保载时间，T₁为加载时间，T₂为卸载时间，σ_min为最小应力，T_hc为在最小应力时的下保载时间，Δσ为最大应力和最小应力之差；

步骤5，通过应变能密度寿命曲线w_t-N_c-f，通过损伤等效推导出蠕变疲劳多级载荷下的损伤累积模型，同时运用载荷交互因子θ将每级载荷交互考虑到损伤计算中，建立变载荷蠕变疲劳损伤计算模型，表达式为：

式中，θ_i为蠕变疲劳载荷交互系数，下标i表示第i级加载，n_i为第i级加载循环次数，N_i为第i级载荷条件下的寿命循环次数；

根据变载荷蠕变疲劳损伤计算模型，若知道第n级载荷循环次数，则能计算总损伤,若第n级载荷加载直至断裂，则能预测该级载荷循环寿命。

本发明的进一步改进在于：所述步骤1中，材料单轴蠕变疲劳试验为最小应力σ_min与最大应力σ_max的比值R≥0,上保载时间T_ht＞0，下保载时间T_hc≥0的应力控制下的梯形波加载试验。

本发明的进一步改进在于：所述步骤2中，通过步骤1获得的稳态应力-应变曲线，计算应力应变曲线与横坐标轴围成的面积得到非弹性应变能密度w_in。

本发明的进一步改进在于：所述步骤4中，每级之间载荷交互因子θ的比值表现了载荷交互作用，第一级载荷对第二级载荷的交互影响表现为第二级对三级的交互影响表现为/>第i-1级对i级的交互影响表现为/>

本发明的进一步改进在于：步骤5中，变载荷蠕变疲劳损伤计算模型计算得到前n级载荷产生的损伤为：

若第n级载荷加载直至断裂，预测第n级载荷的剩余循环寿命为：

本发明的有益效果是：本发明提出的变载荷历程下蠕变疲劳损伤计算方法，基于应变能密度寿命曲线w_t-N_c-f，通过损伤等效推导出蠕变疲劳多级载荷下的累积损伤，同时运用载荷交互因子θ将每级载荷交互考虑到损伤计算中。本发明的方法能够很好地分析或评估多级蠕变疲劳载荷次序对损伤的影响，能够运用于实际发动机载荷谱下的零部件寿命计算。

附图说明

图1是本发明实施流程图。

图2是GH4169在650℃下单轴蠕变疲劳试验加载波形示意图。

图3是应变能密度寿命拟合曲线。

图4是GH4169在650℃下多级蠕变疲劳试验加载波形示意图。

图5是GH4169在650℃下变载荷试验第三级剩余寿命循环与模型预测剩余循环误差图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明是一种变载荷历程下的蠕变疲劳损伤计算方法，通过应变能密度寿命曲线w_t-N_c-f，损伤等效推导出蠕变疲劳多级载荷下的损伤累积模型，同时运用载荷交互因子θ将每级载荷交互考虑到损伤计算中，建立变载荷蠕变疲劳损伤计算模型，其表达式为：

上式中，θ_i为蠕变疲劳载荷交互系数，下标i表示第i级加载，n_i为第i级加载循环次数，N_i为第i级载荷条件下的寿命循环次数；如图1所示，GH4169镍基合金材料650℃下的变载荷历程下的蠕变疲劳损伤计算方法包括以下步骤：

步骤1、根据650℃下单轴蠕变疲劳试验获得GH4169在不同应力和保载时间下的稳态应力-应变曲线和循环寿命N_c-f；材料单轴蠕变疲劳试验为最小应力σ_min与最大应力σ_max的比值R≥0,上保载时间T_ht＞0，下保载时间T_hc≥0的应力控制下的梯形波加载试验，试验方案如表1所示：

表1，GH4169在650℃下蠕变疲劳试验方案

加载波形如图2所示。

步骤2、通过不同加载条件下稳态应力-应变曲线得到非弹性应变能密度w_in和弹性应变能密度w_e，求和得到总应变能密度w_t，其中公式为：

w_t＝w_in+w_e (2)

计算应力应变曲线与横坐标轴围成的面积得到非弹性应变能密度w_in；

弹性应变能密度w_e的计算公式为：

上式中,E为材料在试验温度下的弹性模量。试验结果如表2所示；

表2梯形波加载试验试验数据

如图3所示，通过总应变能密度w_t与循环寿命N_c-f拟合得到材料的w_t-N_c-f曲线，表达式为：

式中：m和C为与温度相关的材料参数，可以拟合得到参数m和C为：

m＝2.1478

C＝239985.6；

步骤3、开展材料单轴三级变载荷蠕变疲劳试验，试验为最小应力σ_min与最大σ_max的比值R≥0，上保载时间T_ht>0，下保载时间T_hc≥0的梯形波加载试验，如图4所示；每级的加载时间T₁和卸载时间T₂相同为10s；

记录每一级载荷的稳态应力-应变曲线以此求得每一级的总应变能密度w_t，根据式(4)得到该级载荷下的预测循环寿命N_c-f，结果如表3所示；

表3为GH4169在650℃下多级蠕变疲劳试验结果

步骤4、根据加载波形计算各级之间的载荷交互因子θ；

其中载荷交互因子θ为：

上式中，σ_max为最大应力，T_ht为在最大应力时的上保载时间，T₁为加载时间，T₂为卸载时间，σ_min为最小应力，T_hc为在最小应力时的下保载时间，Δσ为最大应力和最小应力之差。

每级直接载荷交互因子θ的比值表现了载荷交互作用，第一级载荷对第二级载荷的交互影响表现为第二级对三级的交互影响表现为/>

步骤5、根据式(1)，预测GH4169材料650℃下第三级剩余循环寿命预试验循环寿命的误差如附图5所示。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种变载荷历程下的蠕变疲劳损伤计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，根据单轴蠕变疲劳试验获得材料不同应力和保载时间下的稳态应力-应变曲线和循环寿命N_c-f；

步骤2，通过稳态应力-应变曲线得到非弹性应变能密度w_in和弹性应变能密度w_e，求和得到总应变能密度w_t，通过总应变能密度w_t与循环寿命N_c-f拟合得到材料的w_t-N_c-f曲线，表达式为：

其中，

w_t＝w_in+w_e

式中：m和C为与温度相关的材料参数；

步骤3，通过材料单轴多级变载荷蠕变疲劳试验，记录每一级载荷的稳态应力-应变曲线以此求得每一级的总应变能密度w_t，根据步骤2中材料的w_t-N_c-f曲线得到该级载荷下的循环寿命N_c-f；

步骤4，根据加载波形和载荷排序计算各级之间的载荷交互因子θ，载荷交互因子θ表达式为：

式中，σ_max为最大应力，T_ht为在最大应力时的上保载时间，T₁为加载时间，T₂为卸载时间，σ_min为最小应力，T_hc为在最小应力时的下保载时间，Δσ为最大应力和最小应力之差；

步骤5，通过应变能密度寿命曲线w_t-N_c-f，通过损伤等效推导出蠕变疲劳多级载荷下的损伤累积模型，同时运用载荷交互因子θ将每级载荷交互考虑到损伤计算中，建立变载荷蠕变疲劳损伤计算模型，表达式为：

式中，θ_i为蠕变疲劳载荷交互系数，下标i表示第i级加载，n_i为第i级加载循环次数，N_i为第i级载荷条件下的寿命循环次数；

根据变载荷蠕变疲劳损伤计算模型，若知道第n级载荷循环次数，则能计算总损伤,若第n级载荷加载直至断裂，则能预测该级载荷循环寿命。

2.根据权利要求1所述的一种变载荷历程下的蠕变疲劳损伤计算方法，其特征在于：所述步骤1中，材料单轴蠕变疲劳试验为最小应力σ_min与最大应力σ_max的比值R≥0,上保载时间T_ht＞0，下保载时间T_hc≥0的应力控制下的梯形波加载试验。

3.根据权利要求1所述的一种变载荷历程下的蠕变疲劳损伤计算方法，其特征在于：所述步骤2中，通过步骤1获得的稳态应力-应变曲线，计算应力应变曲线与横坐标轴围成的面积得到非弹性应变能密度w_in。

4.根据权利要求1所述的一种变载荷历程下的蠕变疲劳损伤计算方法，其特征在于：所述步骤2中的弹性应变能密度w_e的计算表达式为：

式中，E为材料的弹性模量，σ_min为最小应力，σ_max为最大应力。

5.根据权利要求1所述的一种变载荷历程下的蠕变疲劳损伤计算方法，其特征在于：所述步骤4中，每级之间载荷交互因子θ的比值表现了载荷交互作用，第一级载荷对第二级载荷的交互影响表现为第二级对三级的交互影响表现为/>第i-1级对i级的交互影响表现为/>

6.根据权利要求1所述的变载荷历程下的蠕变疲劳损伤计算方法，其特征在于：所述步骤5中，变载荷蠕变疲劳损伤计算模型计算得到前n级载荷产生的损伤为：

若第n级载荷加载直至断裂，预测第n级载荷的剩余循环寿命为：