CN109933822B - 塑性瞬态蠕变条件下考虑与载荷无关的拘束参量的蠕变孕育期预测方法 - Google Patents

塑性瞬态蠕变条件下考虑与载荷无关的拘束参量的蠕变孕育期预测方法 Download PDF

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CN109933822B CN201711354399.3A CN201711354399A CN109933822B CN 109933822 B CN109933822 B CN 109933822B CN 201711354399 A CN201711354399 A CN 201711354399A CN 109933822 B CN109933822 B CN 109933822B
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Abstract

本发明公开了一种塑性瞬态蠕变条件下考虑与载荷无关的拘束参量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，引入了与载荷无关拘束参量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塑性瞬态蠕变条件下蠕变孕育期。

Description

塑性瞬态蠕变条件下考虑与载荷无关的拘束参量的蠕变孕育 期预测方法
技术领域
本发明涉及考虑与载荷无关的拘束参量的高温结构在塑性瞬态蠕变条件下的蠕变孕育期工程临界评价，就是确定当结构中存在表面裂纹且处在塑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，引入了与载荷无关的拘束参量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：
本发明的塑性瞬态蠕变条件下含拘束效应高温结构的蠕变孕育期预测方法，包括以下步骤：
S1：建立塑性瞬态蠕变条件下含拘束效应高温结构的蠕变孕育期预测模型，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，缺口的后部设有预制裂纹，槽、缺口、预制裂纹在同一平面上，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称设置，分别设置在槽的上下两端；
S2：首先在缺口处***预制裂纹，以进行蠕变试验；
S3：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；
S4：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Q*RR，其计算公式为：
Figure BDA0001510838670000021
(Ⅰ)中:
Figure BDA0001510838670000022
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.)，C*积分是利用有限元计算得出的高温断裂参量，单位为MPa·mm·(h)-1，L是标量距离，取1mm，In是与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 SingularField Quantities.Brown University Technical Report,MRL E-147.)，n是无量纲的蠕变应力硬化指数，
Figure BDA0001510838670000023
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和
Figure BDA0001510838670000024
参见文献：(Zhao L,Jing H,Xu L,Han Y,Xiu J.Evaluation of constraint effects oncreep crack growth by experimental investigation and numericalsimulation.Engng Fract Mech 2012；96:251–66.)；
(Ⅰ)中：σ22是利用HRR应力场计算得出的裂纹前沿的张开应力值，单位是MPa，
Figure BDA0001510838670000025
其中：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 BDA0001510838670000026
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.Tablesof Hutchinson-Rice-Rosengren Singular Field Quantities.Brown UniversityTechnical Report,MRL E-147.
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 BDA0001510838670000031
其中：t是时间,单位是h,C*积分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，二者均参见文献：(Zhao L,Jing H,Xu L,Han Y,Xiu J.Evaluation of constraint effects oncreep crack growth by experimental investigation and numericalsimulation.Engng Fract 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 BDA0001510838670000032
Figure BDA0001510838670000033
其中：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 BDA0001510838670000034
其计算公式为：
Figure BDA0001510838670000035
其中：
Figure BDA0001510838670000036
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.
计算塑性等效应力
Figure BDA0001510838670000037
其计算公式为：
其中：
Figure BDA0001510838670000038
J积分是利用有限元计算得出的断裂参量，单位为MPa·m，σP0是标准化应力，单位为MPa，εP0是标准化应变，单位为1，α为应***化系数，N为应***化指数，σP0，εP0，α和N参见文献：(Zhao L,Xu L,Han Y,Jing H.Two-parameter characterization of constrainteffect induced by specimen size on creep crack growth.Engng Fract Mech 2012；96:251–66.)，IN是与N有关的无量纲函数,
Figure BDA0001510838670000039
是与裂纹尖端角度θ和应***化指数N有关的无量纲函数，IN和
Figure BDA00015108386700000310
可查表获得Shih,C.F..1983.Tables of Hutchinson-Rice-Rosengren Singular Field Quantities.Brown University Technical Report,MRL E-147.
(3)利用MATALAB软件计算转换时间tHRR-RR：在此时刻满足：
Figure BDA0001510838670000041
塑性阶段损伤累计值：
Figure BDA0001510838670000042
MSFHRR为塑性条件下多轴应力因子，根据Cocks and Ashby关系式计算：
Figure BDA0001510838670000043
sinh是双曲正弦函数，hHRR为塑性应力三轴度，在塑性应力状态下：
Figure BDA0001510838670000044
其中：
Figure BDA0001510838670000045
和
Figure BDA0001510838670000046
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.。
(4)然后计算瞬态蠕变应力场下孕育期时间ti HRR-RR，其计算公式为：
Figure BDA0001510838670000047
(Ⅲ)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；
(Ⅲ)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 BDA0001510838670000048
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 BDA0001510838670000049
其中平均应力
Figure BDA00015108386700000410
单位是MPa，其计算公式为：
Figure BDA00015108386700000411
其中：σ11和σ33是利用RRss应力场计算得出的裂纹前沿的应力值
Figure BDA00015108386700000412
单位是MPa，
Figure BDA00015108386700000413
其中：
Figure BDA0001510838670000051
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，所述有限元模拟采用ABAQUS6.14进行计算模拟，
Figure BDA0001510838670000052
C*和J的提取过程包括以下步骤：
(3)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***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；
(4)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J和C*，在场变量可以获取应力值
Figure BDA0001510838670000053
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塑性蠕变条件下蠕变孕育期预测模型，与现有模型相比，本设计方法能够将原有的预测模型扩展到含拘束效应的模型中，从而提出一种简化的塑性条件下蠕变孕育期预测方法，因此能够在结构中简介有效的预测出塑性条件下蠕变孕育期。
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；
图3是应力转换示意图。
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。
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 BDA0001510838670000054
本发明的塑性瞬态条件下含拘束效应高温结构的蠕变孕育期预测模型，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，缺口4的后部设有预制裂纹5，槽、缺口、预制裂纹在同一平面上，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；
本发明的塑性瞬态条件下含拘束效应高温结构的蠕变孕育期预测方法，包括以下步骤：
S1：在含有预制裂纹的CT试样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；
S2：过蠕变有限元模拟可以获得计算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：
(a)瞬态蠕变条件条件下的拘束参量Q*RR:
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***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，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；
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J＝2.98MPa m，C*＝0.000666564MPa mm h‐1，在场变量可以获取应力值
Figure BDA0001510838670000061
(b)查表得：
Figure BDA0001510838670000062
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，我们取裂尖前的距离r＝d＝0.05mm。
(c)E'＝E/(1-ν2)＝137362MPa
(d)
Figure BDA0001510838670000063
(e)
Figure BDA0001510838670000064
查表得：
Figure BDA0001510838670000065
塑性等效应力
Figure BDA0001510838670000066
(f)
Figure BDA0001510838670000071
裂纹前沿的张开应力：
Figure BDA0001510838670000072
Figure BDA0001510838670000073
(2)查表得：
Figure BDA0001510838670000074
瞬态蠕变等效应力
Figure BDA0001510838670000075
(3)转换时间tHRR-RR：利用
Figure BDA0001510838670000076
以及MATALAB计算得：tHRR-RR＝2h
查表得：
Figure BDA0001510838670000077
应力三轴度：
Figure BDA0001510838670000078
多轴应力因子：
Figure BDA0001510838670000079
塑性阶段损伤累计值：
Figure BDA00015108386700000710
(4)然后计算瞬态蠕变应力场下发生的萌生：
查表得：
Figure BDA00015108386700000711
Figure BDA00015108386700000712
Figure BDA00015108386700000713
平均应力：
Figure BDA00015108386700000714
应力三轴度：
Figure BDA00015108386700000715
多轴应力因子：
Figure BDA00015108386700000716
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 BDA0001510838670000081
利用MATALAB解积分得：ti HRR-RR＝1322h。
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 (2)

1.塑性瞬态蠕变条件下含拘束效应高温结构的蠕变孕育期预测方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：建立塑性瞬态蠕变条件下含拘束效应高温结构的蠕变孕育期预测模型，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，缺口的后部设有预制裂纹，槽、缺口、预制裂纹在同一平面上，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称设置，分别设置在槽的上下两端；
S2：首先在缺口处***预制裂纹，以进行蠕变试验；
S3：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；
S4：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Q*RR，其计算公式为：
Figure FDA0001510838660000011
(Ⅰ)中:
Figure FDA0001510838660000012
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,C*积分是利用有限元计算得出的高温断裂参量，单位为MPa·mm·(h)-1，L是标量距离，取1mm，In是与n有关的无量纲函数，n是无量纲的蠕变应力硬化指数，
Figure FDA0001510838660000013
是蠕变应变变化率，单位为h-1，与材料高温蠕变属性有关；
(Ⅰ)中：σ22是利用HRR应力场计算得出的裂纹前沿的张开应力值，单位是MPa，
Figure FDA0001510838660000014
其中：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 FDA0001510838660000015
是与θ和n有关的无量纲函数；
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 FDA0001510838660000016
其中：t是时间,单位是h,C*积分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 FDA0001510838660000021
Figure FDA0001510838660000022
其中：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 FDA0001510838660000023
其计算公式为：
Figure FDA0001510838660000024
其中：
Figure FDA0001510838660000025
是与θ和n有关的无量纲函数；
计算塑性等效应力
Figure FDA0001510838660000026
其计算公式为：
其中：
Figure FDA0001510838660000027
J积分是利用有限元计算得出的断裂参量，单位为MPa·m，σP0是标准化应力，单位为MPa，εP0是标准化应变，单位为1，α为应***化系数，N为应***化指数，IN是与N有关的无量纲函数,
Figure FDA0001510838660000028
是与裂纹尖端角度θ和应***化指数N有关的无量纲函数；
(3)利用MATALAB软件计算转换时间tHRR-RR：在此时刻满足：
Figure FDA0001510838660000029
塑性阶段损伤累计值：
Figure FDA00015108386600000210
MSFHRR为塑性条件下多轴应力因子，根据Cocks and Ashby关系式计算：
Figure FDA00015108386600000211
sinh是双曲正弦函数，hHRR为塑性应力三轴度，在塑性应力状态下：
Figure FDA00015108386600000212
其中：
Figure FDA00015108386600000213
和
Figure FDA00015108386600000214
是与θ和N有关的无量纲函数；
(4)然后计算瞬态蠕变应力场下孕育期时间ti HRR-RR，其计算公式为：
Figure FDA0001510838660000031
(Ⅲ)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；
(Ⅲ)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 FDA0001510838660000032
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 FDA0001510838660000033
其中平均应力
Figure FDA0001510838660000034
单位是MPa，其计算公式为：
Figure FDA0001510838660000035
其中：σ11和σ33是利用RRss应力场计算得出的裂纹前沿的应力值
Figure FDA0001510838660000036
单位是MPa，
Figure FDA0001510838660000037
其中：
Figure FDA0001510838660000038
是与θ和n有关的无量纲函数。
2.如权利要求1所述的塑性瞬态蠕变条件下含拘束效应高温结构的蠕变孕育期预测方法，其特征在于，有限元模拟采用ABAQUS6.14进行计算模拟，
Figure FDA0001510838660000039
C*和J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***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J和C*，在场变量可以获取应力值
Figure FDA00015108386600000310
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